（计算机应用技术专业论文）soc系统级设计综合自动化的初步研究.pdf

兰韭皇查查堂堡圭堂焦丝壅 摘要 微电子工艺的快速发展推动了集成电路进入了s o c 时代，但是随着设计复杂度 的提高，传统的设计方法己无法满足片上系统设计的需要。系统级设计方法正逐渐 融入传统的i c 设计方法。 本课题的主要任务是设计一个基于系统级设计方法的s o c 集成、综合自动化软 件。该s o c 模型的抽象层次是交易级，该软件是基于i p 的设计思想。本文介绍了该 工具的设计过程。从i p 横块库，系统集成综合自动化、软硬件协同设计三个方面， 分析了设计这样一个s o c 集成、综合自动化软件所遇到的问题，以及如何解决等内 容。 关键字：s o c ，交易级模型，i p ，集成，综合，软硬件协同设计 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n i q u e sp r o m o t e si ci n t o s o ce r a ，b u tw i t ht h ei n c r e a s eo fs o cd e s i g nc o m p l e x i t y ，t h ec o n v e n t i o n a l d e s i g nt e c h n o l o g yc a n ts a t i s f yt h ed e m a n do fs o cd e s i g n s o cs y s t e m l e v e l d e s i g nm e t h o di sa l s oc o m b i n et r a d i t i o n a li cd e s i g nm e t h o dg r a d u a l l y t h em a i nt a s ko ft h ep r o j e c tist ob u i l dd e s i g ns o f t w a r eo fs o c t h es o c i sat r a n s a c t i o n1e v e lm o d u l e ( t l m ) t h e d e s i g ns o f t w a r ea d o p t si pb a s e d d e s i g nm e t h o d o l o g y t h i st h e s i se x p o u n d e dt h ew h o l ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h e a u t o m a t i ct o o l sf o rs o ci n t e g r a t i o na n ds y n t h e s i s ，a n a l y z e dt h ep r o b l e m sw e m e ta sw ed e s i g n i n gt h es o f t w a r ef r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：i pm o d u l el i b r a r y ， s y s t e mi n t e g r a t i o na n ds y n t h e s i sa u t o m a t i c ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o d e s i g n ， a n de x p l o r e dh o wt os o l v i a gt h ep r o b l e m s y uw e i ( c o m p u t e rh p p l i c a t i o na n dt e c h n o l o g y ) d i r e c tb yp r o f s h a oz u o z h i k e yw o r d s ：s o c ，t r a n s a c t i o nl e v e lm o d e l ( t l m ) ，i p ，i n t e g r a t i o n ，s y n t h e s i s ， h a r d w a r es o f t w a r ec o d e s i g n 坐韭皇查查堂堡圭堂焦丝銮 一一 摘要 微电子工艺的快速发展推动了集成电路进入了s o c 时代，但是随着设计复杂度 的提高，传统的设计方法已无法满足片上系统设计的需要。系统级设计方法正逐渐 融入传统的i c 设计方法。 本课题的主要任务是设计一个基于系统级设计方法的s o c 集成、综合自动化软 件。该s o c 模型的抽象层次是交易级，该软件是基于i p 的设计思想。本文介绍了该 工具的设计过程。从i p 模块库，系统集成综合自动化、软硬件协同设计三个方面， 分析了设计这样一个s o c 集成、综合自动化软件所遇到的问题，以及如何解决等内 容。 关键字：s o c ，交易级模型，i p ，集成，综合，软硬件协同设计 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n i q u e sp r o m o t e si ci n t o s o ce r a ，b u tw i t ht h ei n c r e a s eo fs o cd e s i g nc o m p l e x i t y ，t h ec o n v e n t i o n a l d e s i g nt e c h n o l o g yc a n ts a t i s f yt h ed e m a n do fs o cd e s i g n s o cs y s t e m 一1 e v e l d e s i g nm e t h o di sa l s oc o m b i n et r a d i t i o n a li cd e s i g nm e t h o dg r a d u a l l y t h e m a i nt a s ko ft h ep r o j e c tist ob u i l dd e s i g ns o f t w a r eo fs o c t h es o c i sat r a n s a c t i o n1e v e lm o d u l e ( t l m ) t h ed e s i g ns o f t w a r ea d o p t si pb a s e d d e s i g nm e t h o d o l o g y t h i st h e s i se x p o u n d e dt h ew h o l ep r o c e s so fd e s i g n i n gt h e a u t o m a t i ct o o l sf o rs o ci n t e g r a t i e l la n ds y n t h e s i s ，a n a l y z e dt h ep r o b l e m sw e m e ta sw ed e s i g n i n gt h es o f t w a r ef r o mt h ef e l l o w i n ga s p e c t s ：i pm o d u l el i b r a r y ， s y s t e mi n t e g r a t i o na n ds y n t h e s i sa u t o m a t i c ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o d e s i g n ， a n de x p l o r e dh o wt os o l v i n gt h ep r o b l e m s y uw e i ( c o m p u t e rh p p l i c a t i o na n dt e c h n o l o g y ) d i r e c tb yp r o f s h a oz u o z h i k e yw o r d s ：s o c ，t r a n s a c t i o nl e v e lm o d e l ( t l m ) ，i p ，i n t e g r a t i o n ，s y n t h e s i s 。 h a r d w a r es o f t w a r ec o d e s i g n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( s o c 系统级设计综和自动化的初步研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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作了明 确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日 期：0 生彰。2 。2 6 日 期：2 趔圣1 2 矽谚 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 当今，随着i c 制造技术的飞速发展，半导体加工工艺进入深亚微米时代，芯片 的特征尺寸越来越小，单位芯片上晶体管的数目越来越多，同时芯片的规模也越来 越大，已经可以在单个芯片上集成上千万甚至上亿个晶体管。它使得微电子及其应 用领域正在发生一场前所未有的革命性变革，这场变革就是由片上系统s o c ( s y s t e m o nac h i p ) 技术研究应用和发展引起的。片上系统( s o c ) 技术是以超深亚微米v d s m ( v e r yd e e ps u b m ic r o n ) 工艺和知识产权i f ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核复用 ( r e u s e ) 技术为支撑 1 。 s o c 就是在同一个蕊片上集成了控制部件( 微处理器，存储器) 和执行部件( i o 接口，微型开关，微机械) ，能够自成体系，独立工作的芯片，也称为系统芯片。数 字系统芯片一般包含三大基本要素：处理器，存储器和接口逻辑。集成了这三类电 路也就相当于在单个芯片上实现了许多数字系统的所有功能 2 。 与此同时，集成电路制造技术的飞速发展为集成电路设计技术提供了强劲的支 持，集成度的增加、器件尺寸的缩小、硅片面积的扩大、时钟频率的提高和驱动电 压的降低使设计人员能给用户提供功能更强而体积、价格、功耗更低、更小的芯片， 从而为各类电子产品，尤其是嵌入式系统的开发提供了崭新的机遇。s o c 的出现可 以说正是这种机遇的集中体现。但机遇到来的同时也带来了挑战，集成电路制造技 术进入深亚微米和超深亚微米工艺后，特征尺寸的减小和集成度的增加使集成电路 设计技术面临着日益严重的复杂性问题。i t r s 2 0 0 3 ( 2 0 0 3 年国际半导体技术蓝图报 告 3 ) 将这些复杂性问题归结为两个方面：硅复杂性和系统复杂性。 系统复杂性源于两个因素，一个因素是集成度的增加使得单一芯片上晶体管数目 成指数级增长，另一个因素是消费者对电子产品更多功能，更低价格的需求，以及 更短上市时间的压力。根据i t r s l 9 9 9 ，单一芯片上晶体管数目平均每年增长5 8 ， 而设计工程师每人月平均能完成设计的晶体管数目平均每年只增长2 1 ，随着时间 的推移，设计能力与制造能力之间的差距将越来越大 4 。 因此，采用传统的电路级设计必将导致许多估计不到的难度。因此，需要人们重 新审视已经熟知的设计方法，必须提出一套符合新的设计思路、新的工艺环境、严 格的时序要求、以及高性能标准的设计方法。在探索s o c 设计方法进程中，首当其 冲的是系统级设计方法s l d ( s y s t e ml e v e ld e s i g n ) 的研究。因为它获得了来自学 术界、工业界以及多种不同行业的重视，是未来芯片设计中的最重要砝码。当然， 华北电力大学硕士学位论文 它也是最具挑战性的内容。 s o c 的设计方法荪为集成系统设计，它与传统的集成电路设计方法不同。佞统的 集成电路设计方法土般都是将系统分为两个阶段：系统级赦件开发部分和电路级硬 件设计部分。特别指出的是，软件开发和硬件设计往往是相对独立进行的，如图卜1 所示。在系统级，软件开发人员使用诸如c c + + 等高级编程语言进行系统描述和算 法仿真，并分析系统在软件层面的各项指标，撰写系统设计书，然后移交给硬件设 计工程师。在电路级，硬件设计师首先要花大量的时间理解系统设计书，之后才能 利用v h d l 或v e r i l o g 硬件描述语言进行电路设计。在此手工转换的过程之中，可能 还会引入人为的错误因素。另外，为了验证软件开发的正确性，必须等到硬件全部 完成之后才能开始进行软件测试和系统集成，大大延长了设计的进程。传统的设计 方法使得在软件和硬件之间很难进行早期的平衡和优化，并有可能严重影响开发成 本和开发周期 5 。 救件开垃者 圈i l ：传统的集成电路设计方法 一个s o c 系统通常都具备强大的数据处理和存储能力，能适应于一类典型应用的 功能和性能要求；同时，它还应当具有灵活的软、硬件可编程能力。软件的可编程 性体现在基于同一种类型的体系架构下，充分发挥软件本身的适应性和可重用性。 减小更改硬件所带来的开销，提高设计速度。硬件的可编程性在于通过对应用的特 殊功能，定制满足性能要求的专用加速器，充分利用硬件本身的便携性和可扩展性， 减小研发软件而带来的额外费用，缩短设计周期。因此，s o c 的设计应该是一个软 件、硬件协同设计的过程，这也是s o c 系统一个非常重要的标志。s o c 的集成系统 设计方法从整个系统的角度出发，把处理机制，模型算法，芯片结构，各层次电路 直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能，它的设计必须 是系统行为级开始的自顶向下的设计方法，利用统一的系统级描述语言来规范描述 系统的功能和算法，软件和硬件以及测试激励，然后由e d a 和软件开发工具以及各 种模型库和i p 库将其逐步细化到物理实现方式和软件代码。 图卜2 概括了面向s o c 系统级的主要研究内容，包括：软硬件协同设计技术、设 计重用技术、与底层相结合设计技术。三者相辅相成相互促进。物硬件协同投计 2 华北电力大学硕士学位论文 技术常与设计重用技术交织在一起，成为目前s o c 系统级设计的主要部分。而与底 层相结合的高层设计技术是在现阶段由于制造工艺不断进步，进入纳米级环境的前 提下，提出的一种能有效解决高层综合和物理设计不匹配而导致设计不收敛问题的 新技术 1 7 2 。 同网 l ! 垒塑! l f 霎兰= 三 厂蕊而丽 ji 竺竺竺竺竺 l 塑塑1 1 阿磊诉磊甄； 1 ，。j l 陬薪丽丽丽萌蕊溺 r 至竺竺兰粤 厂可甬趸甬 j l 兰三! = 竺竺兰! 竺! 竺竺竺i 苎查一_ j1 匿丽丽赢湎丽嫌 l 差垂至三刍 厂匣里雯塑至! 二 i 晤甬蟊萌再丽两历而五 厂丐萄磊蓐 jl 一 i 皇堡! ：! ：苎查i 1 眄磊孬葫i 吾茨疆哥磊系 l 茜垂三刍 图卜2 ：面向s o c 系统级设计的主要研究内容 下面我们分别来看看这些关键技术： 一软硬协同技术 在s o c 中，尤其是在面向特定应用领域的s o c 中，软硬件的结合是非常紧密的， 软件和硬件之间的功能划分，以及它们的实现并没有固定的模式，而是根据应用的 不同而变化。 一般来说，面向s o c 的软硬件协同设计理论是从一个给定的系统描述着手，通 过有效地分析系统任务和所需的资源，采用一系列变换方法并遵循特定的准则自动 生成符合系统功能要求、符合系统约束的硬件和软件架构。在经历长期的理论探索 后，s o c 的软硬件协同设计将迎来高速发展的时期。目前，在软硬件设计中最为活 跃的研究工作包括系统描述、软硬件划分、软硬件协同综合、以及软硬件协同模拟 与验证。图卜3 给出了一个较为普遍的面向s o c 软硬件协同设计流程 2 1 。 二设计重用技术 s o c 芯片的集成度越来越高，投放市场的时间要求越来越短，为了实现满足一定 功能需求和性能要求的系统，设计者越来越依赖于重用技术的支持。s o c 的设计重 用技术主要可分为基于i p 核的模块级重用和基于平台的系统级重用。 在设计重用技术的推动下，基于i p 核的接口综合与集成将逐步成为研究的热点。 1 兰j ! 皇查奎堂堡主堂垡笙塞 接口综合在不同的年代赋予了不同的意义，从2 0 世纪8 0 年代末不同单元块( b l o c k ) 图卜3 ：一般的软硬件协同设计流程 间接口逻辑电路的生成，到9 0 年代中不同组件闾固定转换电路的使用，到现在不同 i p 核间自适应接口电路的设计，使接口综合技术得到了相应的发展。特别是在当前 以i p 核复用技术为主的s o c 时代，接口综合的地位越显突出，它已成为s o c 设计中 的关键技术之一。 三与底层相结台设计技术 高层次综合技术h l s ( h i g hl e v e ls y n t h e s i s ) 自问世以来，受到了广泛的重视。 但随着集成电路制造工艺的不断进步，集成电路的复杂度也进步提高。目前仍旧 占据设计主流的r t l 级开始的设计方法已经面临挑战。特别是在物理寄生效应已经 成为电路性能和成本的主导因素的今天，高层次综合的作用日最突出。它不仅仅需 要考虑传统的调度、分配和控制器综合内容，还需要考虑物理寄生效应。这给高层 次综合的形式化增加了更大的难度。当前，高层次综合技术的研究热点是高层次综 合和物理设计的结合，从而可以在高层次综合阶段考虑物理寄生效应，进而解决综 合和物理设计不匹配而导致的设计不收敛的问题。 与底层结合的高层次综合技术主要包括：时延驱动的高层次综合技术、与底层 结合的高层建模与分析技术、高层低功耗设计技术。 1 2 国内外发展动态 s o c 系统级设计方法学在国外的研究十分活跃，许多e d a 厂商、研究机构以及 大学都开发了适用于s o c 系统级设计的工具，并提出相应的设计流程和设计方法。 一般来说，这些方法基本采用层次化( h i e r a r c h i c a l ) 的设计思想和正交性 ( o r t h o g o n a l i z a t i o n ) 的设计原则来完成系统级设计。目前，在学术界和工业界比 较认可的s o c 系统级设计方法学，从性质上基本可分为三大阵营：自顶向下、自底 4 华北电力大学硕士学位论文 向上、上下结合或中间相遇。从具体的表现形式和实现方式来说，这三大阵营分别 由以下三个研究团体提出的相关方法和技术支撑，即：美国加州大学i r v i l i e 分校嵌 入式系统研究小组的基于s p e c c 的逐层细化求精设计方法、法国t i m a 实验室系统级 综合小组的基于组件的多处理器核s o c 设计方法、美国加州大学b e r k e l e y 分校c a d 研究小组的基于平台的设计方法。表卜l 列举了三种不同的系统级设计方法的主要 优缺点及其典型代表。 系统级设计方法优点块点 典型代表 自顶向下、细化符台戟件，f ：发者，硬件设计师的i 殳计思路； 驶强的依赖于某种系统圾涉及语言； u c i ： 求精设计方法易于定义层扶芙系明确层扶行为、结构和设计重用的效率降低，开发的产品只 $ y m t e l s o n h c h i p 语义： 艟定制于某一种应用； e n v i r o n m e n t 易于开发建模划分综台仿真工具 自庶向上、搭积曼于堪槽设计重用思路；系统的集成较为困难通信接口综台 t i i ( a ： c o m p o n e n t b a s e 木设计方法能简化设计流程，加快设计速度： 问置比较严重；d e s i g n 扩充对体系结构探常的能力较强的俄棘与底层环境的支撑 上下 舂合、分而易于遵循计算与通信行为与结构相分离的平台的定义比较复杂。需蔫顾软件开u c b ：p 1 a t f o l m b a s e d 治之设计方法设计厨i 则；发与碰件设计； d e s i g n 与具伴的设计语亩羌关：难于开发面向平台的自动综台与验证 开发的产品适用于一类应用有较强的可螭工具 程性、灵牺性 最i i ：三种设计方法的比较 国内软硬件协同设计的研究开展得晚些，但从一开始就赶上了s o c 技术的机 遇，发展比较迅速。不少大学和研究机构，以及集成电路设计和制造企业有研究小 组和实验室从事这方面的研究。 上海交通大学、东北大学计算机软件国家研究中心、国防科技大学计算机学院、 复旦大学、中国华大集成电路设计中心、中科院微电子中心、清华大学微电子所针 对s o c 设计中的特定问题也开展了相关研究，并取得了较好的成果。 由于s o c 设计涉及到半导体、电子工程和计算机等技术领域，复杂程度很高，加 强合作成为国内各研究机构的共识。 2 0 0 0 年，清华大学、北京大学、浙江大学与美国加州大学l o sa n g e l e s 分校、 s a n t ab a r b a r a 分校的有关研究小组联合成立了“国际系统芯片研究中心 ( i c s o c ) ”，开展面向s o c 的设计自动化技术研究。该中心由国家自然科学基金 委员会( n s f c ) 与美国国家科学基金会( n s f ) 在合作协议框架下进行资助，它发展 迅速，已成为这一领域亚太地区重要合作中心之一，目前仍不断有大学和研究机构 加入其中 1 。 总的来说，虽然国内研究现状与国外相比有定差距，但发展势头良好。在国内 与半导体和计算机技术相关的学术刊物和会议上，有关s o c 设计和软硬件协同设计 方面的文章近年来不断增加。由国内学者主办的每两年召开次的国际专用集成电 华北电力大学硕士学位论文 路学术会议( a s i c o n ) 被2 0 0 3 年参加该会议的美国加州大学i r v i n e 分校的g a j s k i 教授称为中国的d a c 会议。2 0 0 5 年a s p d a c 在上海召开也表明国内在s o c 和软硬件 协同设计研究方面开始追上国际水平。 通过分析系统芯片设计的需求和系统级设计方法学的研究现状，我们得出以下的 结论： 总的来说，软硬件协同设计以及相关的设计方法学还处于一个发展初期，许 多关键技术问题仍未得到有效的解决办法，还不能形成具有普遍适用性的软 硬件协同设计理论体系。 由于系统层次综合问题固有的复杂性( 系统抽象模型不能有效描述应用，设 计空间巨大，约束条件难以表述，体系结构设计信息不完备等) ，目前在此 抽象层次的自动综合技术仍处于理论探讨阶段。自动工具仍然不能取代有经 验的设计者，以系统综合为核心的通用软硬件协同设计尚不实用。 随着系统级设计语言逐渐成熟，系统级语言在片上系统的设计中将发挥更加 重要的作用。 基于平台和基于i p 核的层次化设计不仅加大了设计重用的规模，而且提高 了设计的生产效率。目前它已经成为系统级设计研究的重点，在未来的设计 中将占据更加熏要的地位。 通信体系结构的综合将成为s o c 系统设计中的一个研究重点。不仅在于体系 结构的好坏极大影响了整个设计系统的性能，而且在于它能有效地支持基于 平台的设计方法。 s o c 系统设计空间相当大，必须寻找更快更准确的优化捷径来完成系统级的 设计。因此设计自动化中系统级相关技术和算法的研究仍然是热点，它们将 使设计工具更加合理化、高效化。 1 。3 课题研究的主要内容及其意义 为了研究s o c 系统级设计方法学的相关内容，尤其是软硬件协同设计技术和设 计重用技术。在本课题中设计，设计开发了一个s o c 交易级模型( t r a n s a c t i o nl e v e l m o d e l i n g ，t l m ) 的综合、集成自动化软件，该软件主要包含用户定制界面( u s e r i n t e r f a c e ，u i ) ，i p 模块库( i pm o d u l el i b ) ，自动集成引擎( a u t oi n t e g r a t i o n e n g i n e ，a i e ) ，并提供了基础的软硬联调机制。课题主要任务是：初步探讨s o c 系 统描述问题，软硬件划分方法，软硬件协同模拟验证方法，i p 模块的设计验证 测试方法，基于i p 模块的接口综合、集成方法，基于i p 模块的设计重用技术。 在此，对本课题中出现的i p 模块概念作出一个澄清、定义，由于系统级设计的 抽象层次要远高于当前i c 设计。本文中涉及的i p 更接近于软件设计概念中的类或 6 华北电力大学硕士学位论文 对象，而不同于我们常见的软核，固核、硬核等概念。 通过对这些问题的研究，最大的理论意义在发展和完善s o c 设计方法学，去尝 试解决现代集成电路产业的瓶颈一i c 设计不能满足现代i c 制造业的矛盾。 通过图卜4 不同抽象层次的迭代周期和成本损失对照图，我们可以清楚地看到 抽麓层次开发周期损失开发成本捐失 系统擐3 分钟5 万美元 寄存嚣传糖缘 3 天5 0 0 万美元 物理叛3 个月l 亿羹元 盈l 一4 水同抽象层次的迭代周期和成本损失 该课题的现实工程意义【6 。在系统级开发系统并完成纠错，每修正一个错误，他的 系统开发周期损失是3 分钟，开发成本的损失是5 万美元。与系统级相比，寄存器 传输级，和物理级的开发成本损失，和开发周期的损失要巨大的多，因而，我们研 究系统级设计方法学还是非常有意义的。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章开发工具介绍- - s y s t e m c s y s t e m c 是解决系统级设计挑战的设计工具和设计方法的基础。在1 9 9 9 年的1 1 月， 世界最主要的e d a 工具开发商、i p 供应商、半导体厂家、系统和嵌入式软件公司宣布 推出了o p e ns y s t e m ci n i t i a t i r e ( o s c i ) ，同时提供了一个c + + 建模平台、即s y s t e m c 。 这在工业合作史上创造了一个新的突破。s y s t e m c 是由组c + + 类库所组成的建模平 台，加入了一个仿真核，可以在系统级、行为描述级和寄存器转换级支持硬件建模。 c c + + 编程语言被系统结构硬件工程师和软件工程师广泛应用，但这些语言却不能够 准确描述硬件建模的概念。s y s t e m c 提供了一种用扩展的c + + 来加入硬件建模结构的 方法和途径。 s y s t e m c 基于c + + 语言，c + + 语言是比较流行的计算机语言之一，这对系统设计师 和软件工程师来讲是比较熟悉的语言。s y s t e m c 既是一个c 十+ 类库，又是种设计方 法，可以用来有效地创建软件精确算法、硬件结构模型，以及s o c 与系统级设计的接 口，可以在各个抽象层次上对系统和硬件建模 7 。 软件算法和接口规范用c 或者c + + 语言写成，c + + 程序描述了系统的行为，提供了 紧凑、有效的系统描述所必需的控制和调用数据。由于大多数设计者对于这些语言 都很熟悉，并且有很大数量的开发工作都与之相关联，因而可利用资源比较丰富。 s y s t e m c 类库提供了系统建模所必需的硬件构造、硬件时序。将这些i p 模块加入 到s o c 设计中需要获得i p 的知识产权，否则，这是工业界不能允许的。c + + 是一种基 于对象的编程语言这使得可以通过“类”来扩展语言，而不需要增加新的语法结 构。s y s t e m c 提供了这些必要的“类”，并且允许设计者继续使用所熟悉的c + + 语言 及其开发工具。 在我的课题研究中，所以选择s y s t e m c 语言作为开发工具，在于它解决了系统级 设计所面临的挑战，它可以作为系统设计师、软件工程师和硬件工程师的共同语言。 s y s t e m c 允许i p 模型的复用，可共用工具的集成开发设计环境，创建、完成从概念到 实现的整个设计过程。 s y s t e m c 语言的发展到当前大致经历了两个阶段：s y s t e m c l 0 和s y s t e m c 2 0 。与 h d l 语言类似，s y s t e m c l 0 可以用来进行硬件描述。2 0 0 1 年s y s t e m c 2 0 的推出使 s y s t e m c 成为真正的系统级设计语言，能够用来对s o c 体系结构进行更加自然和有效 的描述。这样就便s y s t e m c 语言涵盖了从系统概念直到实现的针对系统软，硬件建模 的能力 b 。 发布s y s t e m c 2 o 语言的一个主要目的是使用户可以在( 相对于r t l ) 更高的层次 对s o c 系统进行描述。s y s t e m c 2 0 9 入了新的特性，概念以支持更方便，有效地对系 统进行建模，包括c h a n n e l ，i n t e r f a c e ，e v e n t 等。h d l 语言，的r t l 模型很适合于对一 8 华北电力大学硕士学位论文 个特定的硬件模型进行建模，但通常很难高效率的对构成整个s o c 的各模块之间的通 讯，同步机制进行描述。所以t r a n s a c t i o nl e v e l ( t l ) 的建模思想被引入到了s o c 设计流程之中，这将在后面详细介绍。 s y s t e m c 的基本类库有四种：模块( m o d u l e ) 、进程( p r o c e s s ) ，端口信号 ( p o r t s i g n a l ) 和数据类型( d a t at y p e s ) 。其中模块( m o d u l e ) 是s y s t e m c 中最基本的 结构单元，其内可以包含端口、信号、进程或子模块。在设计过程中可以把一个复 杂的系统划分成若干简单的子模块，进行结构化设计。它可以隐含内部的操作，仅 通过端口和外部进行通信连接。 进程( p r o c e s s ) 有三类：m e t h o dp r o c e s s ，t h r e a dp r o c e s s 和c i o c k e dt h r e a d p r o c e s s 。强调一下，这里的进程和操作系统中的进程不是同一概念，这里进程是 s y s t e m c 中的基本执行单元，它用来模拟目标设备或系统的行为。其中m e t h o d p r o c e s s 类似模块中的成员函数，体现模块的功能特性。当有事件( 信号值发生变化) 发生时，m e t h o dp r o c e s s 开始执行，一直到操作完，操作期间不能被挂起或无限循 环运行：t h r e a dp r o c e s s 和m e t h o dp r o c e s ：的主要区别在于进程执行过程中可以被挂 起和再次被激活，直到运行完毕。c l o c k e dt h r e a dp r o c e s 是t h r e a dp r o c e s s 的一个 子集，主要对时序电路和同步操作进行描述，它在时钟边沿触发时开始运行。 端口信号( p o r t s i g n a l ) 类主要负责模块间的相互连接和通信。其中端口有输 入、输出和双向输入输出3 种类型。 数据类型( d a t at y p e s ) 继承了c + + 中的所有数据类型，同时为描述硬件的物理信 息扩展了时间、延时和逻辑等物理数据类型。 s y s t e m c 的体系构架图如2 一i 所示 9 】： 各种计算横块m 0 c 的标准通道； 专用方法通道 进程、静恋数据流簪 主 n 机制库等 基本通道；信号、计时器、复用器，通信令、f i f o 等 内棱语言；模块，埔口、进程、接数据类型：逻舞类型( o i z ) 口、通道事件i逻辑向量、位及位向量、任意精度 的整数、定点整形数； 标准c + + 语言 圈2 1s y s t e m c 的体系构架 从图可以看出s y s t e m c 的体系构架有如下的特征： 所有的s y s t e m c 都是基于c + + 的。 上层的构架都是很明显地建立在下层构架的基础之上的。 s y s t e m c 内核提供了一个用于系统体系结构、并行、通信和同步时钟的模块 ( s c m o d u l e ) 。 9 华北电力大学硕士学位论文 完全支持内核描述以外的数据类型、用户定义数据类型。 通常使用的通信方式，如信号、f 工f o 等都可以在内核的基础上建立，经常 使用的计算模块也可以在内核基础上建立。 如果需要，较低层的内容可以不依赖上层而直接使用。 在s y s t e m c 中，硬件模块的引脚是通过端口类对象来进行描述的。而连线则用 到了信号类，进程则是用来描述硬件模块的并发性的结构。利用s y s t e m c 描述硬件 系统的过程如下： 1 定义模块结构，利用s y s t e m c 的模块类来描述一个模块； 2 定义引脚，利用端口类定义特定模块的引脚，例如时钟引脚，数据引脚等。 3 定义进程，模块的功能描述主要是通过进程来实现，在s y s t e m c 中进程具有 并发性。还需要说明的是进程的执行需要一定的触发条件，如可以通过引脚值的改 变来触发进程。 4 通过上面的三个步骤基本上完成了对个硬件模块的描述，接下来需要实例 化模块，模块实际上是一个类，实例化的过程在s y s t e m c 的主函数中进行，在主函 数中需要定义一些信号对象，这些信号对象用于连接系统中各个模块的引脚，接着 创建各个模块的对象把对象中对应的引脚与前面定义的信号对象相连接，信号对 象和引脚都有数据类型，例如可以在程序中定义整型，布尔型等数据类型的信号或 引脚对象。只有相同数据类型的引脚和信号才能进行连接。 通过上面的四个步骤就可以完成一个系统的设计，后面的工作就是仿真运行和验 证整个系统的正确性。 目前s y s t e m c 的版本是2 1 0 ，已经有很多著名公司包括西门子、a l c a t e l 、中国 的东方通讯、大唐飞利浦等开始使用s y s t e m c 作为其系统级开发语言。在系统开发初 期，可以u m l 对系统需求和架构进行分析和描述，算法部分可以使用m a t l a b 、s p w 、 c c s s 等进行分析，然后利用s y s t e m c 进行交易级别建模( t r a n s a c t i o nl e v e l m o d e l i n g ) ，划分系统软硬件，对目标系统进行比较详细的划分，然后再利用s y s t e m c 完成后续流程 7 】。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 设计目标： 第三章系统实现 本课题主要是设计一个t l m 抽象层次上的s o c 系统综合自动化工具软件，研究 基于i p 重用技术的s o c 系统级设计方法的相关问题，并给出相应的解决方案。 为了实现这样一个自动化设计工具，我们需要解决如下三大问题： i p 模块的设计、封装，及其i p 库的设计与管理； 自动化集成引擎( a t e ) 的设计与实现； s o c 系统调试方案一软硬协同设计方法： 该s o c 自动化设计软件接收用户的设计约束，这些设计约束是用来定制组成s o c 目标系统的i p 模块，及其这些模块之间的连接关系；通过s o c 系统自动化集成引擎 ( a i e ) ，自动地生成一个s o c 系统硬件部分的交易级模型；并使用该工具提供的系 统测试、验证机制，对相应的s o c 系统进行软硬件联合调试、仿真和验证，从而可 以使用户在设计初期就可以对软硬件界面划分的合理性，有效性，及其相关的软件 做出测试、评估，从而减小用户的市场时间的压力( t i m e t o - m a r k e t ) ，提高用户的 设计效率。 3 2 总体结构： 本课题的主要工作是做一个s o c 自动化设计工具，首先分析一下现在常用s o c 系统级设计的重用技术。 现在s o c 系统级设计冲用方法有两种一基于平台和基于i p 库【l o 。 基于i p 核的设计重用主要包括i p 核的设计和i p 核的使用。i p 核的设计目标是 实现即插即用。但目前离这个目标还有较长的距离。i p 核的设计除了需要考虑具体 功能之外，还要考虑可重用、可测性及测试的可重用性。i p 核的质量是i p 核最重 要的因素之一，i p 核必须是可重用、可配置和可升级的，而且i p 升级应符合可重 用标准以确保升级后i p 核的可重用性。 基于平台的设计重用是近几年提出的设计重用方法，它是基于i p 核设计重用技 术的扩展，延伸了设计重用的理念，强调系统级重用。基于平台的设计方法要求提 供面向特定应用领域的设计模板，设计者通过对设计模板进行适当的修改来构造符 合性能要求的s o c 系统。 在我的课题中，我提供的是基于i p 核的设计重用方法。 现在的市场上提供的s o c 自动化设计工具，在i p 模块之间的匹配，还主要是依 1 1 华北电力大学硕士学位论文 靠设计师的能力和经验，i p 模块之间的连接也主要是依靠设计师的手动设置。而在 我们的工具中可以把各个i p 功能模块自动地互联起来，解决整个系统的功能模块间 的相互通信，包括数据格式、通信联络、时序、协议等方面，从而为设计人员免去 想当大的精力去考虑如何匹配和连接i p 模块，这样就可以使s o c 的设计更加快捷、 有效。 在我的课题中，我提供一个自动化综合引擎模块来完成此项功能。 现在一个s o c 设计由软件和硬件组成，不同于传统的a s i c 设计，仅仅由硬件构 成。事实上，在大部分的s o c 设计中，软件占了主要部分( 6 0 8 0 ) ，这样一个s o c 设计工具如果仅仅提供一个硬件建模平台、仿真手段就没有多大意义了【e 。 因此，在我的课题中，我们将提供软件装载模块与测试机制，来将与硬件相配 合的软件装入生成的s o c 硬件仿真模型，从而来实施软硬件协同设计。 通过如上分析，该工具的总体结构如图3 - i 所示。 3 3 设计思想 图3 一ls o c 设计工具总体结构图 本课题在设计中主要是基于如下两个设计思想：交易级模型( t r a n s a c t i o nl e v e l m o d u l e ，t l m ) ，接口方法调用( i n t e r f a c em e t h o dc a l l ，i m c ) 。t l m 模型主要是用 来对i p 模块的进行定义、设计与封装，以及生成结果一s o c 的仿真、运行、验证层 次；接口方法调用( i m c ) 主要被用来解决模块之间的通讯问题。 3 3 i 交易级模型( t l m ) t l m ( t r a n s a c t i o nl e v e lm o d e l ) 主要用来对整个s o c 的体系结构进行描述， 华北电力大学硕士学位论文 进而对系统结构进行仿真、分析、优化。同时t l m 使得设计者可以在系统硬件的r t l 描述完成之前，就可以对s o c 所包含的大量软件进行验证。使用s y s t e m c 2 0 提供的 c h a n n e l ，i n t e r f a c e 等概念以及基于此的i n t e r f a c em e t h o dc a l l ( i m c ) 的思想就 可以对s o c 系统的交易级进行描述，建立s o c 虚拟平台。 系统建模是将底层细节屏蔽的抽象过程。这样的得到的模型可以减少仿真时间 以加速设计收敛。特别的，有些行为描述可以通过行为综合工具进行综合而得到r t l 代码。这往往比设计者自己完成寄存器传输级( r t l ) 设计效率更高( 因为设计者可 以在更高的抽象级别上进行行为描述，就可以忽略更多设计细节) 、性能更好( 因为 从理论上来讲，行为综合工具能够在全设计空间搜索最佳的设计描述) 。但同时它也 带来了一些不确定因素，因为越高层次的抽象，屏蔽的细节就越多，发生误差的可 能也就越大，这就需要我们在做s o c 高层次抽象设计时，必须准确地把握s o c 设计 要求的仿真精度。因此，我们首先来看看系统建模中通信的抽象层次，每个层次右 面列出的是这个层次屏蔽掉的细节，如图3 - 2 所示 7 。 抽象层次屏蔽的簟节 消息眉( j v s s a g el a y e r ) l 3 贳源共享、时序 交易层( t r a n s a c t i o nl a y e r ) l 2时钟、悱议 传辅层( t r a n s f e rl a y e r ) l l连缱，寄存嚣 寄存貉传输层( 耵ll a y e r ) l o门、门，连线虹时 圈3 - 2 系统建模中通信的抽象层次 t l m 模型包含了时间之闻的正确顺序，丽没有底层的物理延时，从而为软件设 计者提供了一些初步的性能分析。而系统设计者对含有时间信息的t l m 模型更感兴 趣，因为这种模型可以进行系统结构的一些评价，从而进行系统结构的探索和优化。 虽然r t l 模型会提供更为精确的时间信息以用于分析，但是它也有缺点。首先，由 于考虑的细节增多，它的开发比t l m 模型要困难。其次，当进