（微电子学与固体电子学专业论文）低功耗mpsoc片上总线关键技术研究.pdf

摘要 摘要 本文源自西安电子科技大学微电子学院国家集成电路人才培养基地网络处理 器的项目，主要是对低功耗m p s o c 片上总线以及内存控制器接口电路进行研究与 设计。 本文重点研究了x d n p 网络处理器的片上总线性能要求，完成了系统控制平 面的总线结构设计及方案确定，并重点对总线协议功能与结构间配置访问映射的 关键技术进行了研究。本文设计的系统总线是a m b a2 0 总线协议的子集，参考 a m b a 总线规定的通信协议实现x d n p 系统总线以及内存控制器接口的功能。本 文在充分理解a m b a 总线协议以及低功耗s o c 的设计方法的前提下，对系统总线 进行了设计，完成了仲裁器、译码器、多路选择器等模块的r t l 级设计，使用 m o d e l s i m 软件进行了功能仿真验证；采用加入门控时钟、地址总线零翻转编解码 设计的方法对系统总线设计进行了改进，使用p r i m e p o w e r 分析比较优化前后总线 的功耗；根据项目的要求完成了系统总线与s r a m 控制器之间的内存控制器接口 电路的r t l 设计，使用m o d e l s i m 软件进行了功能仿真验证；使用d e s i g n c o m p i l e r 对以上两个设计进行优化：基于a r m v 4 的体系结构完成了3 2 位r i s c 核的设计， 使用该r i s c 核对系统总线及内存控制器接口进行功能验证。 本文完成了x d n p 系统总线以及内存控制器接口的r t l 设计，并对设计结果 进行了功能仿真和设计优化，相关结果表明，本文设计能够较好地完成项目的具 体要求。 关键词：低功耗系统总线内存控制器接口功能仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t t l l i sa r t i c l ec o m e sf r o mt h ep r o j e c to fn e t w o r kp r o c e s s o rw h i c hi so n eo ft h e p r o j e c t so fn a t i o n a li n t e g r a t e dc i r c u i tt a l e n tb a s e ，s c h o o lo fm i c r o e l e c t r o n i c sa n d s o l i ds t a t ee l e c t r o n i c so fx i d i a nu n i v e r s i t y t l l i sa r t i c l ei sm a i n l yt a l k i n ga b o u tt h e d e s i g no fo c b ( o nc h i pb u s ) a n db u si n t e r f a c eo fl o wp o w e rm p s o c t 1 1 i sa r t i c l er e s e a r c h e st h ep e r f o r m a n c er e q u i r eo fx d n pn e t w o r kp r o c e s s o r s o c b ，f i n i s h i n gt h ed e s i g nm e t h o do fb u ss t r u c t u r ei ns y s t e mc o n t r o l l i n gl e v e l ，埘t l l r e s e a r c h i n gt h ef u n c t i o no fs y s t e mb u sa n dm a p p i n gb e t w e e nd i f f e r e n tm o d u l e si n x d n pn e t w o r kp r o c e s s o r t l l i sa r t i c l er e a l i z e st h es y s t e mb u sa n dm e m o r yc o n t r o l l e r i n t e r f a c e ，a c c o r d i n gt ot h ea m b a 2 0s p e c i f i c a t i o na n dt h es y s t e mb u sr e a l i z e di nt h i s a r t i c l ei st h es u b s e to fa m b a2 0s p e c i f i c a t i o n t 1 1 i sa r t i c l ef i n i s h e dt h er t l d e s i g no f a r b i t e r 、d e c o d e r 、m u xo fx d n ps y s t e mb u sw i mf u l l yu n d e r s t a n d i n gt h ea m b a2 0 s p e c i f i c a t i o n ，u s i n gt h em o d e l s i m t of i n i s hf u n c t i o ns i m u l a t i o n ；、 ，i t l li n s e r t i n gt h eg a t e c l o c ka n du s i n gt h em e t h o do fe n c o d e r d e c o d e ro fa d d r e s sb u sn o - c h a n g e d ；u s i n g p r i m ep o w e rt of i n i s ht h ep o w e ra n a l y s i sa n dc o m p a r et h er e s u l t s b a s e do nt h ep r o j e c t a i m ，t h i sa r t i c l ef i n i s h e dt h er t ld e s i g no fm e m o r yc o n t r o l l e ri n t e f f a c e ，w h i c h c o n n e c t st h es y s t e mb u sa n dm e m o r yc o n t r o l l e r , r e s e a r c h i n gt h ea d d r e s sm a p p i n go f m e m o r yc o n t r o l l e ri n t e r f a c ea n df i n i s h i n gf u n c t i o ns i m u l a t i o nu s i n gm o d e l s i m t t l i s a r t i c l ed e s i g n so n e3 2b i t s 砒s c ，b a s e do nf u l l y u n d e r s t a n d i n go fa r m v 4 a r c h i t e c t u r e ，b u i l d i n gs o cv e r i f i c a t i o np l a t f o r mt ov e r i f yt h ef u n c t i o no fx d n ps y s t e m a n dm e m o r yc o n t r o l l e ri n t e r f a c e u s i n gd e s i g nc o m p i l e rt os y n t h e s i sa n do p t i m i z et h e t w od e s i g n si nt h i sa r t i c l e t l l i sa r t i c l ef i n i s h e dt h er t ld e s i g no fx d n pn e t w o r kp r o c e s s o r ss y s t e mb u sa n d m e m o r yc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ，w h i c h c o n n e c t st h e s y s t e m b u sa n d m e m o r y c o n t r o l l e r ，f i n i s h i n gt h ef u n c t i o ns i m u l a t i o n ，s y n t h e s i sa n do p t i m i z a t i o n ，t h er e s u l t s s h o wt h a tt h et w od e s i g n si nt h i sa r t i c l em e e t st h es t a t e dr e q u e s t s k e y w o r d l o wp o w e rs y s t e mb u sm e m o r yc o n t r o l l e ri n t e r f a c e f u n c t i o n s i m u l a t i o n 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：三躯速彼 日期2 三卫_ 生 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 年解密后适用本授权书。 日期丝生：i ：! 日期上! z ! ：i ：l ! 第一章绪论 第一章绪论 集成电路的发展已经经历了5 0 多年的发展，表1 1 给出了集成电路发展的主 要里程碑【3 8 】。1 9 4 7 年第一个晶体管诞生，十年以后，第一块集成电路出现，1 9 7 1 年，i n t e l 公司研制成功4 位微处理器4 0 0 4 ，集成了2 3 0 0 个晶体管，1 9 7 6 年a p p l e 公司推出了第一台个人计算机( p c ) ，2 0 世纪8 0 年代初i b m 公司也参与了p c 机的 生产【3 引。在以后的2 0 多年里p c 机得到了飞速的发展。实际上，计算机从最初的 主机时代已近进入到p c 时代，而i n t e l 公司也开始专注于微处理器产品的研究与 发展【3 8 l 。 表1 1 集成电路工业发展的主要里程碑 时间主要里程碑 1 9 4 7发明晶体管 1 9 5 8 发明集成电路 1 9 6 5m o o r e 定律 1 9 7 1i n t e l4 0 0 44 位微处理器 1 9 7 6 a p p l e 个人计算机 1 9 9 la r mr i s ci p 内核( 无芯片设计) 1 9 9 6虚拟插座接口联盟v s i a 成立 早在1 9 6 5 年i n t e l 公司的创始人之一m o o r e 根据经验观察就提出了m o o r e 定 律，指出半导体芯片的元件数大概每1 2 月会翻一番，到了1 9 7 5 年，他将这一个 定律作了进一步的修正，预言元件数翻一番的时间大约为2 年p 列。后来实践表明， 大致每1 8 个月芯片的元件数目会翻一番【3 引。在过去的几十年中，微电子技术一直 按照摩尔定律高速发展。深亚微米技术的出现使得整个计算机系统集成到一个芯 片上，单芯片集成度高达上亿个元器件，实现了集模拟数字、软件硬件于一体的 完整应用系统，称为s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。s o c 系统技术涉及到很多的方面， 其中采用低功耗设计的互联技术是s o c 设计的关键技术之一。 1 1 课题来源及背景 s o c 是指在单一硅片上集成数字和模拟混合电路，包括嵌入式核( 如m p u 、 2 低功耗m p s o c 片上总线关键技术研究 m c u 、d s p 等) 、存储器( 如s r a m 、s d r a m 、f l a s hr o m ) 、专用功能模块( 如 a d c 、d a c 、p l l 、) 、i o 接口模块( 如u s b 、u a r t 、e t h e m c t ) 等多种功能的模 块。也就是，将专用标准集成电路( a s s p ) 、专用集成电路( a s i c ) 、存储器、逻 辑电路、模拟电路、可编程逻辑器件( p l d ) 等全部放在一个芯片上，甚至是相应 的嵌入式软件，实现一个嵌入式计算机系统的功能m l 。这样就可以将原来需要很 多i c 组成的p c b 全部集成到一个芯片上。s o c 是在a s i c 基础上发展起来的，与 一般的a s i c 相比s o c 具有很多独特的优点，它已经不再是功能单一的单元电路 而是具有某种应用目的的电子系统【1 3 1 。 传统的总线用于一个系统中的多个芯片之间的数据传输，在各个独立芯片之 间的线有一整套传输协议和通信手段【3 叭。当芯片规模变大，以前由多个芯片完成 的功能可以集成到一个芯片中，功能模块之间和总线之间的数据传送在芯片内部 完成，形成片上总线o c b ( o n - c h i p b u s ) 的概念【3 叭。片上总线结构是把不同厂商、 不同类型的i p 模块集成到一个芯片上的关键部件，它有助于不同的i p 模块在系统 芯片上实现混合和适配，目前，几乎所有的i p 都可以通过总线连接并和处理器集 成在一起【3 9 1 。在当前的s o c 设计中，片上总线以及片上总线逻辑接口实现了各个 模块之间的连接与通信功锹博】。 图1 1x d n p 的体系结构 随着集成电路的飞速发展和对消费类电子产品特别是便携式的面向客户的电 第一章绪论 3 子产品的需求推动了s o c 的快速发展，也给人们提出了许多新的课题【4 。对于电 池驱动的s o c 芯片，设计者已经不能够仅仅考虑速度和面积这两个主要的性能要 求，而必须更多的关注已经表现出来的并且变得越来越重要的第三个方面功 耗，这样才能够延长电池的寿命和电子产品的运行时间l 。工艺不断前进，芯片 特征尺寸不断降低，s o c 芯片功耗变得越来越重要【2 。 本课题来源于西安电子科技大学微电子学院国家集成电路人才培养基地进行 的研制一款具有自主知识产权的x d n p 网络处理器的研究项目，是该研究项目的 子课题，主要是对低功耗s o c 的片上总线及内存控制器接口进行研究。图1 1 给 出了所研制的网络处理器的体系结构。该网络处理器是一个m p s o c ( m u l t i p l e p r o c e s s o rs y s t e mo nc h i p ) ，主要包括了一个a r m 处理器、六个数据处理引擎( m e ) 、 s r a m 控制单元、s d r a m 控制单元、i xb u s 接口电路等。 1 2 论文研究内容 在该课题研究中，作者主要参与了基于a r m v 4 体系结构的3 2 位的 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 处理器设计，以及m p s o c 的片上总线设计 与研究，重点对m p s o c 的低功耗片上总线及内存控制器接口电路进行系统深入的 研究，主要的工作体现在如下几个方面： 1 重点研究了x d n p 网络处理器的片上总线性能要求，完成了系统控制平面 的总线结构设计方案的确定，并重点对总线协议功能与结构间映射的关键技术进 行了研究。本论文所研究的总线结构作为一个a m b a2 0 总线协议的子集，能够 有效完成基于a r m 指令集的r i s c 处理器对m p s o c 的其他m a s t e r 设备和s l a v e 设备的访问与控制。 2 在结构设计方面，研究了基于a r m 指令集的处理器对m p s o c 系统的其他 模块进行配置访问的映射技术，采用地址映射的方式对不同的m a s t e r 设备和s l a v e 设备进行控制和访问，并设计实现了仲裁器、译码电路设计方案。 3 研究了片上系统与s r a m 控制单元间的内存控制器接口电路功能与低功耗 系统总线的设计方案。完成了片上系统总线的r t l 级建模，并设计实现了片上总 线的内存控制器接口电路功能。 4 设计实现基于a r m v 4 体系结构的r i s c ，搭建s o c 验证平台，验证片上系 统总线与内存控制器接口电路功能的正确性。 1 3 论文章节安排 论文中的大部分工作是作者在实际项目中的工作内容。在参与项目的过程中 4 低功耗m p s o c 片上总线关键技术研究 作者设计了低功耗的x d n p 系统总线及内存控制器接口电路，并验证了设计模块 功能的正确性。 本论文的章节安排如下： 论文第一章主要介绍了本篇文章的研究背景、课题来源以及本篇论文研究的 主要内容。 论文第二章给出了低功耗s o c 片上总线设计的概述。简单介绍了s o c 技术的 发展情况、s o c 芯片功耗的主要类型以及在s o c 功耗分析中采用哪些方法可以降 低系统的功耗。介绍了几种常用的o c b 总线，特别是a m b a 总线的一些概念， 本文设计的系统总线是a m b a2 0 总线协议的子集。 论文第三章进行了x d n p 系统总线的i p 核设计。x d n p 系统总线的设计模块 中主要包括了仲裁器、选择器、译码电路等。在该章详细介绍了该系统总线仲裁 器及译码电路的设计，使用r t l 级低功耗方法对所设计的x d n p 系统总线进行了 修改。 论文第四章主要完成的工作是x d n p 内存控制器接口电路的i p 核设计。介绍 了该内存控制器接口电路的基本结构。由于所设计的接口电路是针对s r a m 控制 单元，所以在本章也重点介绍了s r a m 地址映射的相关内容。 论文第五章中进行了x d n p 系统总线及内存控制器接口电路的功能仿真验 证。作者基于a r m v 4 结构设计了一个3 2 位的r i s c 核，以该r i s c 为核心搭建一 个s o c 验证平台来验证x d n p 系统总线、内存控制器接口电路的功能，同时在本 章作者还使用了d e s i g nc o m p i l e r 对系统总线及内存控制器接口电路进行了综合优 化，使用p r i m ep o w e r 分析系统总线的功耗并比较了采用低功耗设计方案前后系统 功耗的变化情况。 论文第六章是本论文的结束语，总结了全文的内容，并对以后的工作进行了 展望。 第二章低功耗s o c 片上总线概述 5 第二章低功耗s o c 片上总线概述 2 1s o c 技术概述 2 0 世纪6 0 年代初第一块半导体集成电路问世后，半导体工业取得了惊人的发 展，以集成电路为代表的微电子技术给人们的工作和生活带来了巨大的变革，在 2 l 世纪，微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基c m o s 工艺技术为主流p 3 1 。尽管 微电子学在化合物半导体和其他新材料方面的研究及应用取得了很大进展，比如 宽禁带半导体材料、高k 材料等方面的研究取得了很大的进步，国际以及国内在 g a n 基材料方面的理论研究已经上升到很高的层次，而i n t e l 也在最新的产品中使 用了高k 材料( 如h f 0 2 ) ，但它们还远不具备替代硅基工艺的条件。硅集成电路技 术发展至今，全世界数以万亿美元计的设备和技术投入，已使硅基工艺形成非常 强大的产业能力【”l 。2 0 世纪9 0 年代中期出现了s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 设计技术， 该技术的出现使i c 设计者能够将更加复杂的功能集成到单硅片上。关于s o c 的最 早报道是1 9 9 4 年m o t o r o l a 发布的f l e xc o r e 系统( 用来制作基于p o w e r p c 和6 8 0 0 0 的定制微处理器) 和1 9 9 5 年l s i 公司为s o n y 公司设计的s o c l 3 2 1 。由于s o c 可以充 分利用已有的设计积累，显著地提高了a s i c 的设计能力，因此发展非常迅速，引起了 工业界和学术界的关注p 到。 s o c 设计中集成了复杂的知识产权( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，i p ) 模块和嵌入式 软件，传统的以功能设计为基础的i c 设计方法已经无法适应新的设计需求，i c 设 计方法需要从以功能设计为基础的传统流程发展到以功能组装为基础的全新流程 1 3 9 1 。与传统的l c 设计技术方法相比较，s o c 设计具有以下几个特点： 1 s o c 具有数百万门乃至上亿个元器件的设计规模，而且电路结构还包括 m p u 、s 洲、d r a m 、a d c 、d a c 等电路。要求的设计起点比普通的a s i c 要 高【3 9 】。 2 s o c 具有高达数百兆的系统时钟频率，而且各模块内以及各模块之间错综复 杂的时序关系给设计带来了很多的问题，如时序验证、低功耗设计、电磁干扰和 信号串扰等信号完整性问题【3 9 1 。 3 s o c 多采用深亚微米工艺加工技术，总的线延时和门延时相比成为主要的因 素。再加上复杂的时序关系，增加了电路中时序匹配的困难。 4 芯片中要实现的功能繁多，而且要分别用硬件和软件来实现，功能模块之间 的关系也特别的复杂，这就需要在更高的设计层次上来进行i c 设计【5 】【3 9 j 。 6 低功耗m p s o c 片上总线关键技术研究 5 在s o c 设计中硬件和软件是并行设计的1 6 】。在设计的初期，系统中的任何一 个功能模块使用硬件还是用软件实现并没有确定【9 】。在完成系统功能的定义之后， 才对系统进行软硬件划分，这是需要使用到具有评估技术的软硬件划分工具，分 析相关的评估数据，以完成系统的软硬件划分【7 1 。 s o c 设计中有许多关键技术，包括：i p 核重用技术、系统建模与软硬件协同 设计、s o c 测试与可测性设计、s o c 验证、互联效应、物理综合、低功耗设计等。 2 2 低功耗s o c 的设计方法 低功耗设计是s o c 设计的几大关键技术之一。目前，i c 设计主流工艺已经进 入到器件最小尺寸小于0 2 5 u r n 的超深亚微米时代，特征尺寸缩小可以在相同面积 上集成更多的器件，工作频率更高，必然导致单位面积上的功耗迅速增大，给系 统的可靠性带来了影响 4 0 1 。在手机、p d a 、笔记本电脑等电池供电的移动终端中， 低功耗是影响产品成功的最为重要的指标m 】。 随着s o c 的集成度与性能的不断发展，如今的s o c 已达到百瓦量级，这需要 昂贵的封装，散热片及冷却环境。根据摩尔定律，每1 8 个月晶体管密度增加一倍， 而电源技术要达到相同的增速，需要很长的时间，电源技术已成集成电路发展的 瓶颈1 1 6 j 。电路里的大电流会使产品的寿命以及可靠性降低，而电源的动态压降严 重的时候还会造成器件失效。 分析表明，s o c 芯片功耗与很多因素有关，包括系统原理、协议、算法、硬 件代码风格、软件程序编写方式、功率管理电路、工艺库、连线材料、综合方法、 后端布局布线等诸多因素均有关系的复杂问题【l 刀。 2 2 1 芯片功耗的主要类型 s o c 芯片功耗一般分两种：来自开关的动态功耗以及来自漏电的静态功耗【l o j 。 而动态功耗又可分为电容充放电( 包括输入负载和网络电容) ，还有当p m o s 管或 n m o s 管同时打开形成的瞬间短路电流【1 1 1 。静态功耗也可分为几类：扩散区和衬 底形成二极管的反偏电流( i d i o d e ) 功耗，另一类是关断晶体管中通过栅氧的电流 ( i s u b t h r e s h o l d ) 产生的功耗。当芯片随温度发生变化时芯片的漏电也会发生变化， 当芯片温度升高静态功耗成指数上升，另一方面漏电流也会随特征尺寸减少而增 加【4 1 。 p t o t m = p c b j n m i c + p s i i o f t + p i 鞠k a 嚣( 2 - 1 ) 在公式( 2 - 1 ) 中给出了芯片总的功耗表达式，其中p d v i l 咖i 。- - a c v 2 f p 蜘 = k ( v d d - 2 v t h ) j + f t ，p l c a k 噼= ( i d i o d c + i 。o l d ) v 。在这三种功耗当中动态功耗 第二章低功耗s o c 片上总线概述 7 是主要的。 动态功耗是由电路中的电容引起的，设c 为c m o s 电路的电容，电容值为p m o s 管从0 状态到h 状态所需的电压与电量的比值1 4 引。以一个反相器为例，当该电压为 v d d 时，从o 到h 状态变化( 输入端) 所需要的能量是c v 2 ，其一半的能量存储在电 容之中，另一半的能量扩展在p m o s 之中1 3 引。对于输出端来说，它从h 至l j 0 过程中， 不需要v 硼的充电，但是在n m o s 下拉的过程中，会把电容存储的另一半能量消耗 掉【4 3 1 。如果c m o s 在每次时钟变化时都变化一次，则所耗的功率就是c v “f 但并不是在每个时钟跳变过程之中所有的c m o s 电容都会进行一次转换( 除了时钟 缓冲器) ，所以最后要再加上一个概率因子a ，电路活动因子a 代表的是，在平均时 间内，一个节点之中，每个时钟周期之内，这个节点所变化的几率。最终得到的 功耗表达式为1 4 3 】： p d v i i 帅i c = a c v z f( 2 - 2 ) 在c m o s 电路中，如果条件v 恤 v i i - = 4 h 0 & & i n _ a d d r 31 ：2 8 】 = 4 h 4 & & i n _ a d d r 31 ：2 8 = 4 9 & & i n a d d r 31 ：2 8 】 = 4 h c & & i n _ a d d r 31 ：2 8 】 = 4 h 0 & & i na d d r 31 ：2 8 】 - 4 h 3 ，a r m 核访问s r a m 单元。 其中当i na d d r 【3 1 ：2 8 】为： o 时对应的是b o o t r o m 。 l 时对应的操作为比特测试和设置、比特测试和清除、比特写测试、比特写清除、 c a m 解锁、写解锁、读锁、读写等。 2 时对应的是p o p 和p u s h 命令。 3 时对应的是慢端口、s r a mc s r 等。 第四章m p s o c 内存控制器接口i p 核设计 4 3 图4 4 逻辑接口电路中的c o m m a n d 地址总线 图4 4 给出了