（电路与系统专业论文）用于Flash卡生产的SOC平台关键技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘耍 摘要 片上系统( s y s t e mo i lc h i p ，s o c ) 设计技术是近年来出现的新技术，它的出现给 电子行业带来了一次不小的变革。它正逐步取代传统的电子设计方法，并在消费 电子、通信终端、网络设备等领域获得了广泛应用。本文采用最新的s o c 设计方 法和手段，初步建立了一个s o c 软硬件协同设计平台，并在此设计平台上完成嵌 入式系统硬件、软件的设计和相互验证。 s d 卡和m m c 卡是近几年最有市场的f l a s h 存储卡，目前已经被广泛应用于 数码相机、移动电话和p d a 等消费电子领域。本文基于s o c 设计平台，设计了 用于s d 和m m c 卡工业生产的嵌入式系统。该系统能实现s d m m c 卡生产除了 电装以外的大部分工序，包括卡的固件下载、卡的内容复制、卡的扫描和擦除以 及卡的检测等功能。该系统采用以下几项新的设计方法：一是采用了基于f p g a 的单芯片多处理器设计技术，能在和计算机实时通信的同时完成对8 张s d m m c 卡的生产操作：二是采用了可下载f i r m w a r e 的硬件结构，可以实现f i r m w a r e 的随 时更新和升级；三是实现了符合s d 协议标准的接口模块，能够完成对s d m m c 卡的快速通信。目前这套系统已经成功投入工业化生产。 因为s d m m c 卡都是采用f l a s h 作为存储介质的，而各种f l a s h 存储器又千差 万别，故本文又基于s d 总线控制器和单片机设计了一套f l a s h 芯片检测系统。该 系统能够完成对f l a s h 芯片的静态电流检测、芯片的擦除和芯片的等级分类等功能。 目前该系统作为s d m m c 卡生产系统的辅助系统也已经投入工业使用。 关键词：系统芯片s d 卡多处理器固件可编程逻辑器件 摘要 a b s t r a c t d e s i g nt e c h n i q u eo ft h es o c ( s y s t e m o nc h i p ) w a sd e v e l o p e m e n t e dr a p i d l yi n r e c e n ty e a r s i tb r i n g sac o n s i d e r a b l er e v o l u t i o nt ot h ee l e c t r o n i ci n d u s t r y t h es o c d e s i g nm e t h o di sr e p l a c i n gt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d ，a n di t h a sb e e nb e i n gu s e d w i d e l yi nc o n s u m e re l e c t r o n i c s ，c o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l sa n dn e t w o r ke q u i p m e n t s a h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g np l a t f o r m - b a s e ds o cd e s i g nm e t h o di sb u i l ti n t h i s d i s s e r t a t i o n t h u s , h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tc a nw o r ki n ac o n c u r r e n t ， c o - d e s i g n ，c o s i m u l a t i o na n d c o - v e r i f i c a t i o nw a yo nt h i sd e s i g np l a t f o r m r e c e n t l y , s da n dm m c c a r da r et h em o s tp o p u l a rf l a s hc a r di nm a s s s t o r a g e m a r k e tt h e yh a v eb e i n gw i d e l yu s e di nd i g i t a lc a m e r a s ，m o b i l et e l e p h o n ea n dp d a a h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g ns o cp l a t f o r mi ss e t u pf o rs d m m cc a r dp r o d u c t i o nt o o l p r o j e c ti nt h i sd i s s e r t a t i o n t h i ss y s t e mc a na c c o m p l i s hm o s t l ym a n u f a c t u r ep r o c e d u r e i n c l u d i n gd o w n l o a d i n gf i r m w a r et oc a r d ，c o p y i n gd a t af r o mc a r dt oc a r d s ，s c a n n i n ga n d e r a s i n gc a r d t h ef o l l o w i n g a r es o m en e wt e c h n i q u e su s e di nt h i ss y s t e m ：1 s i n g l ec h i p m u l t i p r o c e s s o rb a s e df p g ac a nc o m m u n i c a t ew i t h p ca n dc o n t r o lm a n u f a c t u r e p r o c e d u r eo fs d m m cc a r di nr e a lt i m e ；2 af i r m w a r ed o w n l o a d a b l es t r u c t u r eo f h a r d w a r em a k ei tp o s s i b l ea n dc o n v e n i e n tt ou p d a t et h ef i r m w a r e ；3 s e c u r ed i g i t a l m e m o r yc a r di n t e r f a c ei pm o d u l ei sb u i l ta n dt h e nt h es y s t e mc a nc o m m u n i c a t ew i t h s d m m cc a r de a s i l y t h i s s y s t e mh a sb e e n u s e di ni n d u s t r ym a s sp r o d u c t i o n m a n u f a c t u r e m o s ts d m m cc a r d su s ef l a s hm e m o r ya ss t o r a g em e d i a ，b u tt h e r ea r em a n y d i f f e r e n tk i n d so ff l a s hm e m o r yi nt h em a r k e t ，w h i c hh a v ed i f f e r e n te l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i ca n dp e r f o r m a n c e af l a s hc h i pq u a l i t y t e s t i n gs y s t e mb a s e ds dc o n t r o l l e r a n dm i c r o c o n t r o l l e ri sd e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a n di tc a nt e s tf l a s h ss t a t i cc u r r e n t ， e r a s ef l a s ha n dg r a d et h ef l a s hc h i p t h i ss y s t e mh a sb e e nu s e di nm a n u f a c t u r ea sa n a s s i s t a n to fs y s t e mf o rm a n u f a c t u r eo fs d m m cc a r d s k e y w o r d s ： s o cs d e a r d m u l t i p r o c e s s o r f i r m w a r ef p g a y8 5 86 6 3 创新性声明 本人声明所呈交的路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 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果；电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。与我一间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，本人承担切相关责任。 本人签名：童! ：塑h 期型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科控大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻凄学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 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 校可以公布论立的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人授权西安电子科技大学图书馆保存学位沦文，本学位陀文属于公开( 保 密级别) 。在年解密后适用本授权书，并同意将论文在互联刚上发布。 本人签名 导师签名 日期”以j f c 第一章绪论 第一章绪论 1 。1f l a s h 存储器和f l a s h 存储卡 1 1 1f l a s h 存储器简介 人脑的记忆力是有限的，于是人们总是会想要借助于外界物质来记录和传递 信息。一直以来，人们也一直在探索存储信息的方法。从远古时期的甲骨文到后 来的竹简以及再后来的造纸术和印刷术，人类的记忆的广度被极大地扩展了，书 籍也成为了人类文明传承的纽带。在过去的半个多世纪里，随着全世界集成电路 和计算机技术的发展突飞猛进，各种新型的存储方法出现了，比如d r a m 、硬盘、 软盘、光盘和f l a s h 存储器等。 f l a s h 存储器( f l a s h m e m o r y ) 是一种可快速擦写的非易失性存储芯片【1 2 】，就是 我们通常所说的闪存( 简称为f l a s h ) 。自从i n t e l 公司于1 9 8 8 年首次推出f l a s h 以 来，f l a s h 技术就迅速发展并被广泛应用到各种场合，这主要得益于f l a s h 具有不 需要存储电容器、集成度更高、制造成本低于d r a m 、读写灵活方便、访问速度 快、断电后不易丢失信息的特点。随着价格的不断下降以及容量、密度的不断提 高，f a l s h 开始向通用化的移动存储产品发展，常见于f l a s h 卡、u 盘、手机等。 f l a s h 有许多种类型，从结构上分主要有a n d 、n a n d 、n o r 、d i n o r 等， 其中n a n d 和n o r 是目前最为常见的类型。n o r 型f l a s h 是目前大家接触得最 多的f l a s h ，它在存储格式和读写方式上都与大家常用的内存相近，支持随机读写， 具有较高的速度，这也使其非常适合存储程序及相关数据，手机就是它的用武之 地。但是n o r 型的最大缺点就是容量小。与n o r 型相比，n a n d 型f l a s h 的优 点就是容量大，在今年容量为8 g b 的芯片已经不是稀罕事了。但是，n a n d 型的 速度比较慢，因为它的i o 端口只有8 个，比n o r 型的少多了。区区8 个端口需 要完成地址和数据的传输就得让这些信号轮流传送，很显然，这种时候串行传输 比n o r 型、内存等芯片的并行传输慢许多。但是，n a n d 型的存储和传输是以 页和块为单位的( 一页包含若干字节，若干页组成块) 【，一l ，相对适台大数据的连 续传输，这样也可以部分弥补串行传输的不利。因此，n a n d 型f l a s h 最适合的 工作就是保存大容量的数据，作为海量存储设备使用。 用于f l a s h 譬生产的s o c 平台关键技术研究 1 1 2f l a s h 存储卡 近年来，便携式( p o r t a b l e ) 大容量存储( m a s s s t o r a g e ) f g 】产品由于具有成本低、 体积小、携带方便等优点，己经广泛应用于数码相机摄像机、个人数字助理( p d a ) 、 移动电话等电子产品中。由于f l a s h 具有前面所叙述的诸多优点，已经被广泛用 于大容量多媒体存储卡，俗称f l a s h 卡。f l a s h 卡由f l a s h 控制芯片和f l a s h 存储器 两部分组成。其中f l a s h 控制芯片负责f l a s h 存储器的存取以及和外部主机( h o s t ) 的接口命令的执行工作，是联系h o s t 和f l a s h 存储器之间的桥梁。h o s t 和f l a s h 卡产品必须遵守相同的协议标准才能互相通信。目前f l a s h 卡市场上多个标准并 存，主要产品有c o m p a c t f l a s h ( c f ) ，s e c u r ed i g i t a l ( s d ) m u l t i m e d i a c a r d ( m m c ) 、 m e m o r ys t i c k ( m s ) m e m o r ys t i c kp r o 和e x t r e m ed i g i t i a l ( x d ) 等多种格式。下面就 各种协议逐一作简单介绍： p c m c i a ( p c 卡1 p c 卡组织，其前身是p e r s o n a lc o m p u t e rm e m o r yc a r di n t e r n a t i o n a l a s s o c i a t i o n 。 它最初的目的是为了建立整合集成电路板卡的同一标准和改善以小体积、低功耗 为特点的移动电脑中部件的互换性。1 9 9 1 年，p c 卡标准【1 日定义了和当时内存卡相 同6 8 p i n 接口，目前作为f l a s h 存储卡，由于体积和功耗较大的原因，它已经逐渐退 出了市场。 s m a r t m e d i a ( s m 卡1 s m 卡是由东芝t s h i b a a m e r i c a e l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ( t a e c ) 与1 9 9 5 年1 1 月发 布的f l a s h 卡。该卡体积很小，尺寸为4 5 m m * 3 7 m m * o ，7 6 m m ，很轻很薄，全重1 8 克。s m 卡只有f l a s h 模块和接口，而没有控制芯片，兼容性相对较差。s m 卡在f u j i 等相机和某些p d a 上面曾经使用，但是，由于兼容性不够且几何上太薄、强度不 够，也在日渐没落。 c o m p a c tf l a s h ( c f 卡1 c f 卡【1 3 的诞生比较早，由最大的f l a s h 存储卡厂商之一美国s a n d i s k 公司于 1 9 9 4 年首次推出。由于把f l a s h 存储模块和控制器结合在一起，c f 卡的外部设备就 可以做得比较简单而没有兼容性问题，特别是升级换代时也可以保证与旧设备的 兼容性。c f 卡的大小为4 3 m m * 3 6 m m * 3 3 r a m ，只有p c m c n 卡的1 4 ，而且c f 卡本 身还兼容p c m c i a a t a 功能及t r u e l d e ，c f 卡同时支持3 3 伏和5 伏的电压，可以在 这两种电压下工作。它有两种接口标准：c f t y p e i i 雨i c f t y p e i 【1 3 】，前者较后者厚 5 m m ，具有更大的存储容量。c f 卡相关专利即将到期。但是，c f 卡体积还是不大 适应手机、p d a 和日益小巧的数码相机的要求，而且，c f 卡的接口连接引脚数量 太多，对于省电、小巧的便携产品才说，已经不合潮流。因此，c f 卡也已经过了 黄金期。 第一章绪论 m u l t i - m e d i ac a r d ( m m c 卡) m m c 卡，是由美国s a n d i s k 公司和德国西门子公司于1 9 9 7 年共同开发的多功 能存储卡。它具有体积小、重量轻的特点，外形尺寸只有3 2 m m * 2 4 m m + 1 4 m m ， 重量在2 克以下，并且耐冲击，可反复进行读写记录3 0 万次以上，驱动电压为27 3 6 伏。 m m c 卡因为得到了欧洲厂商的大力支持，在手机方面的应用比较广泛，从而 在和其它标准的竞争中，取得了一定的优势。为了配合手机p d a 等掌上设备低功 耗的要求，m m c 最近推出m m c4 0 标准1 1 ，电源电压可以采用33 伏和18 伏之一， 增加了电压适应性，也符合1 8 伏电压环境省电的要求。其数据总线也从原来的l 线和4 线宽度，增加了8 线宽度的选择，从而使得数据传输速率倍增。 s e c u r i t yd i g i t a lc a r d ( s d 卡) s d 卡【9 】就是安全数码卡，是由日本松下公司、东芝公司和美国s a n d i s k 公司于 1 9 9 9 年8 月共同研制而成的。s d 卡是一款具有大容量、高性能、并且更为安全等 多种特点的多功能卡，它的大小尺寸为3 2 m m * 2 4 m m * 2 1 m m ，l l m m c 卡略厚一点， 2 0 0 5 年市场上已经出现容量高达4 g b 的s d 卡，数据传输率高达1 2 5 m b s ，这样在 传输一些较大的文件时具有一定的优势。 s d 卡还做到了与m m c 卡兼容。s d 卡的插口大多支持m m c 卡。s d 卡和m m c 卡都采用了一体化固体介质，没有任何移动部分，所以不用担心机械运动的损坏 而导致数据的丢失。s a n d i s k 公司最新推出的t - f l a s h 卡，性能和s d 卡一样，尺寸 大小为1 l m m + 1 5 m m * l m m ，是目前体积最小的f l a s h 存储卡。 m e m o r ys t i c k ( m s ) m e m o r ys t i c k ”j 俗称索尼记忆棒，是索尼公司于1 9 9 7 年推出的移动存储器， 目前只有索尼公司对其支持。与其它f l a s h 存储卡标准不同，m e m o r ys t i c k 标准是 非公开的，需要协议方可使用。m e m o r ys t i c k 具有写保护开关，内含控制器，采 用1 0 针接口，数据总线为串行，最高频率可达4 0 g h z ，电压为2 7 伏到3 6 伏，电流 平均为4 5 m a 。目前m e m o r ys t i c k 的主流容量己达2 5 6 m b 1 g b 。 e x t r e m ed i g i t a lc a r d ( x d 卡) 所谓x d 卡【1 6 】，是英文e x t r e m ed i g i t a l 的缩写，也就是极端数码的意思。x d 卡 尺寸为2 0 m m * 2 5 m m * 1 7 r a m ，体积只有s m 卡的一半，重量为2 克，它的读写速度 是目前存储卡中最快的之一，读取速度是每秒5 m b 、1 6 m b 及3 2 m b 。写入速度为 每秒1 3 m b ，而6 4 m 或更高容量的写入速度是每秒3 m b ，驱动时耗电小过s m 卡， 仅2 5 m w 。 根据权威市场调查机构美国g a r t n e r 憎1 - 于：2 0 0 3 年8 月份发表的2 0 0 1 年2 0 0 7 年 f l a s h 卡历史分析和趋势预测表明，s d 卡和m m c 卡发展前景看好，m s 卡和x d 卡 相对稳定，而p c 卡、s m 卡# l l c f 卡的市场份额则迅速下降。所以研究s d 卡和m m c 川丁f l a s h 卡生产的s o c 平台关键技术研究 卡的生产设计技术和生产平台将具有很重大的现实意义。 目前f l a s h 卡的市场基本上被国外几家大公司所垄断，这是因为f l a s h 卡的核心 生产技术目前只被他们所掌握。f l a s h 卡的设计和生产需要完成物理层、数据链路 层以及传输层的各项功能，另外为了提高数据存储的可靠性和完全性，需要强有 力的纠错算法”9 1 ，等等。因此f l a s h 卡生产平台的设计其实是一个包括硬件、软件、 算法和协议等多种功能在内的复杂s o c 系统设计。所以本课题选择不仅具有现实 意义，同时也具备重要的理论研究价值。 1 2s o c 设计技术和i p 核复用技术简介 随着集成电路经历了从小规模、中规模、大规模、超大规模的发展过程，到 目前已经发展到片上系统芯片( s y s t e mo na c h i p ，n n s o c ) 掣j n g t 2 0 。所谓系统芯 片，也就是系统级集成电路，是指在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、 处理和i 0 等功能，或者说在单一硅芯片上集成了数字电路、模拟电路、信号采集 和转换电路、存储器、m p u ，m c u ，d s p , m p e g 等，实现一个系统的功能。 s o c 概念是2 0 世纪9 0 年代提出来的，它的目标是为了克服多芯片集成系统所 产生的一些系统性能提升问题，通过嵌入式系统为核心，提高芯片集成的系统功 能以获得更高的系统性能。s o c 芯片的设计是十分复杂的，不仅要考虑芯片i p 核 的系统构成、软硬件协同设计、不同工艺的综合等问题，还要考虑在设计过程中， 如何实现对芯片的模拟验证以及设计成功后针对该芯片仿真装置的实现，从而促 进所设计系统芯片的迅速推广。随着对芯片功能不断增强的需求，传统的i c 设计 方法已经没办法适应s o c 的快速发展。以软硬件协同设计( s o t t w a r e ，h a r d w a r e c o ，d e s i g n ) 口“、具有知识产权的内核( i p 核) 复用【2 0 】和超深亚微米( v e r y d e e ps u b m 集成电路，简称v d s m ) 【2 0 】技术为支撑的s o c 全新设计方法是国际超大规模集成电 路( v l s i ) 的发展趋势和新世纪集成电路的主流。s o c 的进一步发展必然会引起当 前系统结构对芯片功能的限制问题的突破：这方面的工作可视为s o c 方面的新动 向，它包括以人工神经元网络为结构基础去组织系统芯片，以模糊逻辑、模糊数 字的决策特点去组织s o c 微处理器等等。 随着f p g a 的广泛应用，人们提出了可编程片上系统( s o p c ) 。s o p c 设计技 术一种基于i p 核资源复用的软硬件协同设计技术，它结合了s o c 和f p g a 各自 的优点，极大地提高了系统设计的灵活性1 2 “。 所谓i p 核是事先经过验证的由自己开发或购买的知识产权核，是预先设计好 的电路功能模块【2 。人们在设计s o c 平台时可以选择自己开发i p 核或者购买和 复用别人的已经通过验证的i p 核。如果采用后一种方案，s o c 设计人员就可以 将精力集中到系统的集成和验证上，因而极大地缩短了产品的开发周期。由于采 用了经过验证和优化的i p 核模块，可以大幅度提高系统的可靠性，减少系统芯片 第一章绪论 面积和功耗，降低系统成本，极大地提高系统的性能价格比。 i p 核可以分为软核、固核和硬核【2 。软核是用可综合的h d l 描述的电路功 能模块，用户使用时需要自己完成综合和版图；固核是指在结构和拓扑方面针对 性能和面积通过版图规划，甚至可能用某种工艺功能进行优化的可复用模块：硬 核是速度、功耗和面积进行优化并映射到特定工艺上的可复用模块。将处理器i p 核嵌入到可编程逻辑器件是基于f p g a 的s o c 系统设计的前提条件。 1 3 论文的研究目的和内容安排 1 3 1 本文的研究目的 基于s o c 开发平台的设计方法得到了几乎所有高技术公司的重视，许多国家 还投入巨资进行s o c 技术的研究与发展。由于s 0 c 技术的出现与发展，己给电子 及其应用行业带来了革命性的变革。这种变革不仅为其提供了一个全新的技术基 础，而且还更新了许多设计思想和方法、使电子应用产品开发进入具有低风险、 灵活性强和快速上市等特性的时代，同时，亦带来了难得的机遇。如何抓住这一 机会，利用s o c 技术进行s o c 应用产品开发就成为当前撮为关注的问题。 本文将引入全新的s o c 设计理念，充分理解并且改进现有s o c 设计方法，在 软硬件协同设计方面和具有优异性能和广泛应用前景的i p 核设计方面做较为深入 的研究。由于s d 卡和m m c 卡在数码相机摄像机、个人数字助理( p d a ) 、多媒体 和广阔的市场前景，作为研究实例，本文将开发出一套主要用于s d m m c 卡工业 化生产的s o c 平台，该平台具有优良的使用价值，并且凭借s o c 平台的可扩展性， 该平台具有很好软硬件升级性能，并且成本低廉、市场应用前景广泛。为了避免 像d v d 一样受制于没有核心技术，而被国外大公司所控制，本文将自主开发该 s o c 平台的所有关键i p 核，完全掌握自主知识产权。作为整套解决方案的一部分， 本文还将配套开发出一套基于p i c 单片机和f l a s h 卡控制器的f l a s h 芯片的检测系 统，使用户能在生产s d m m c 卡之前，对f l a s h 芯片做个全面的检测，并可以进行 芯片等级的分类以及芯片的擦除。 1 3 2 本文的安排 第二章根据当前最新的s o c 设计思想和理念，结合本文s d m m c 卡工业生 产测试系统的实际需要，建立了一个新型的较为完备的s o c 软硬件协同设计平 台，为了后面的软硬件设计、仿真和验证建立了一个“交流”的平台。 第三章给出了s d m m c 卡工业生产平台的硬件部分设计。首先给出了一种基 于f p g a 的s o c 硬件整体结构设计；其次，提出了一种基于双端口r a m 的多处 用于f l a s h 卡生产的s o c 平台关键技术研究 理器的设计方法：另外，本章还给出了支持s d m m c 卡协议的硬件接口模块i p 设计和一种c r c 校验的硬件电路实现方法。 第四章介绍了s d m m c 卡工业生产平台的软件部分设计，主要讨论了 f i r m w a r e 的设计技术，给出了系统启动程序的设计、s d 协议数据链路层的软件 实现以及符合工业生产要求的s d m m c 卡扫描和擦除功能的实现过程。 第五章作为s d m m c 卡工业生产平台的补充，设计一套基于单片机的f l a s h 芯片检测系统，可以完成对f l a s h 芯片的静态电流检钡4 、f l a s h 读写速度的检测和 f l a s h 的擦除等功能。 第六章是本文的总结以及展望。 第一章s d 删c 号。f 业生产平台的s o c 设计技术 第二章s d m m c 卡工业生产平台的s o c 设计技术 2 1 引言 半导体集成电路工业向s o c 发展是世界进入信息时代及微电子工艺进步的必 然趋势，它是集成电路产业的又一次技术跃变f 2 ”。随着集成电路技术的迅速发展， 集成电路已进入系统级芯片( s o c ) 设计时代1 2 0 j 。单芯片上的集成度和操作频率越 来越高，投放市场的时间要求越来越短。为了实现这样的s o c 芯片，设计者越来 越依赖于i p 核的重用。s o c 复杂性的提高和i p 核的多样化，s o c 芯片中多个厂商不 同i p 核的使用，导致了i p 核可重用的许多问题。i p 核和片上总线，以及e d a i 具接 口的标准化，是解决i p 核标准化的很好途径：另一方面，s o c 芯片设计的复杂性和 嵌入软件所占比重的增加，要求更高层次的系统抽象和软硬件的协同设计，使用 更流行的没计语言进行系统的硬件设计和更有效的系统设计方法。因此，尽管s o c 设计方法只是近几年才发展起来的，但发展势头迅猛。 目前，s o c 芯片的设计有3 种方法1 2 0 】。 第1 种方法称为系统集成法，设计者根据系统设计指标，确定构成系统的通用 和专用模块，这些模块全部由半导体公司或设计公司设计，显然设计工作量大、 时间长，但是系统内部协调性好、性能好、成本最低。 第2 种s o c 设计方法叫做部分集成法，通常由系统设计者完成整体设计，确定 系统构成方案，然后选用s o c 中m p u 、存储器和d s p 等i p 核，它们可以由半导体厂 商或口核供应商提供。其余部分的专用电路由设计者自己设计，并负责整体连接。 这种方法部分利用了现有成熟的i p 核，开发因此工作量相对减少，设计周期较短， 具有一定的灵活性，适合新品。 第3 种方法称为桌面集成法。设计者大量选用i p 核拼装。根据i p 核供应商可能提 供的各种i p 核的资料，设计系统构成。目前由于各种i p 核的接口尚无统一的规范， 因此内部协调占有一定的设计工作量，但这种方法仍不失为灵活性最大、设计周 期最短、设计成本最低的方法。在当前s o c 起步发展的阶段，能够提供的i p 核有限， 且市场不规范，应以研究和发展第l 、第2 种方法为主。 s o c 中l p 核的互连州 在深亚微米设计中，设计应该是面向互连【2 6 】，优先考虑模块间的连接。标准 化的总线，是提高设计重用、控制延迟、集成不同公司i p 核的有效方法。通常的i p 核设计是使用非标准的任意的互连方案，集成时需设计专门的“胶合”逻辑【2 0 】。 这种互连很难集成，也不易控制总体时序。标准互连方案可加快集成，方便i p 核的 使用。总线结构的好处是： 用于f l a s h 卡生产的s o c 平台关键技术研究 1 1 提供灵活的集成方案，可以针对应用定制： 2 ) 提供不同的总线周期和数据通道宽度； 3 ) 允许在系统设计时选择不同的i p 核提供者，这样可以降低成本，提高性能和 可靠性。 但是传统的板级总线如p c i ，v m e 总线并不适合作为片上总线。原因是： 1 ) 板级总线连线长而且有高的电阻和电感。板极总线必须驱动电感和电容负载 很大的底板信号插槽。片上系统总线应该更简单和更快。 2 ) 片上系统的连接方式很多，而板级的连接受限于连接器和i c 的封装，在总线 宽度和信号线数量上有很大限制。 3 ) 板级的信号线多采用三态信号，而集成电路综合工具却难以处理多个驱动器 或接收器共享三态信号。 片上总线的层次结构 系统芯片上的总线和一般的通讯机制一样，需要分层描述，目前没有标准的 分层结构。表2 1 是z h c h a n 9 1 2 1 】等的划分： 表2 1片上互连结构的层次 层次名称定义 4应用层 处理器多个组件间的相互通信，包含对内存 映射和控制信息的规范 3交互层建立占对点传送 2总线传输层在不同组件间传递数据，定义通信网络的逻 辑功能 1 物理层处理物理连线，驱动器以及和工艺相关的时 序定义 片上总线的分类 最简单的总线结构是模块间直接的引线连接。总线可以减少对模块输入输出 资源的需求。总线协议有两种，一种是利用一个专门控制块控制总线，所有的输 入输出都由这个控制单元协调。这种方法常用来控制外围的功能模块，它所用的 逻辑相对较少，但是对总线的使用效率不够。另外一种是每个挂在总线上的功能 块都使用数据包进行通讯，这种方法对总线的应用更有效，但是要求每个功能块 都有发送信息包和解包的逻辑。 a m b a 互连技术【2 8 】 a m b a ”f a d v a n c e dm i e r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ，先进微控制器总线结 构) r e v 2 0 片上总线结构1 2 9 l 是一种流行的工业标准片上总线结构。a m b a 提供了一 种特殊的机制，可以将r i s c 处理器币f i i p 核与外设集成，目前a m b a 的版本为2 0 ， 定义了三组总线：a h b ( a m b a 高性能总线1 ，a s b ( a m b a 系统总线) 并i i a p b ( a m b a 第二章s d 唧cf 1 。业生产平台的s o c 设计技术 外设总线、。a p b 是专门用于处理速度很低的外围设备的。a s b s d a l 4 b 都是可以在 1 6 位和3 2 位处理器上使用的高性能总线，可以有效地连接处理器、片上和片外存 储器，支持流水线操作。其中a h b 是a m b a 的最新的一代总线标准。a h b 可以实 现高性能、高时钟频率系统所必须的操作，如碎发传输、单时钟沿操作及高带宽 配置6 4 1 2 8b i t s ) 。a m b a 总线的典型应用是将a s b 或a h b 作为处理器、存储器、 d m a 通道等对时间和性能要求很高的部分而使用的高速总线，而通过桥将外设总 线a p b 与之连接起来，通常a p b 的频率是a s b 或a h b 频率的一半。这样就可以减 轻a h b 或a s p 的负荷，让a h b 或a s b 只能出现一个负载。这样a h b 就可以在更高 的频率下工作，而在a h b 或a s b 通过桥过渡访问外设总线a p b 时，也不会影响其 对外设的操作。目前a m b a 作为a r m 公司的芯片接口和互联开放规格，a m b a 2 0 版可以直接从a 黜v i 的网站上下载，用户只要签署一个简单的授权防议，无须付版 税。a m b a 规格已成为半导体业界事实上的标准，并且已经被9 0 的a r m 合作伙 伴和很多的i p 核供应商所采用，它在a s i c 的设计中取得了很大的成功。 2 2s o c 设计的流程和软硬件协同设计技术 s o c 系统主要由硬件和软件两个部分组成，通常采用自顶向下的设计方法， 主要包括系统设计、软件设计、逻辑设计、电路实现和工艺器件设计等设计步骤 【2 0 i ，如图2 2 所示。自顶向下设计方法的优点在于可以对系统进行全局性的性能优 化，以及便于协调各级设计人员的工作，提高设计日程的可预测性。s o c 设计首 先根据系统的要求提出对系统的整体描述，其中包括系统行为描述和系统结构描 述。系统工程师建立模块的行为模型，利用软件和硬件模块的协同仿真对软件和 硬件的划分进行微调，最终找到合适的软件算法和硬件结构，使系统整体结构和 性能得到最优化。为了缩短设计周期，在进行电路设计时，尽可能重用各种功能 模块，即l p 核，而只对一些专用逻辑进行独立开发。r t l 电路甚至行为级电路经过 综合后，生成对应器件的门级网表。电路设计工作包括布局布线、时钟树生成、 版图优化等，现在基本上由e d a i 具完成。 在s o c 设计中仿真和验证工作穿插在每一步设计阶段口0 1 ，占有非常重要的地 位。在系统描述过后便是系统行为仿真，主要是使系统的结构描述和行为描述匹 配起来，同时也是对系统描述的验证，在此需要解决不同模块描述的联合仿真问 题。在电路设计阶段，功能验证保证电路功能的正确性。另外，除了验证功能正 确外，还要验证工作时序的正确性。通常的方法是编写专门的测试程序，运行e d a 仿真工具来完成，这通常称为动态仿真。最后，当布局布线完成之后，还要经过 d r c $ 1 j l v s 的检查。最终验证是通过物理验证工具从最终布线中提取线路网表f 包 括寄生参数) 进行仿真，对所有的设计要求进行检查，包括时序、功耗、电压降落 利温度特性。每一次仿真和验证的结果都被反馈回来，以纠正和优化设计。 用于f l a s h 卡生产的s o c 平台关键技术研究 软硬件协同设计即软件和硬件协同工作使得实施系统不仅功能正确而且满足 系统要求，如性能要求，面积限制或功耗限制等等1 2 “。在当前的嵌入式系统中， 通常系统较复杂，因此系统性能限制较高，在这些系统中，如果按照传统的设计 方法构造出硬件后再评估系统是否满足要求，必定延长系统开发周期。因此必须 使用软硬件系统设计方法在多个设计级别对系统设计进行限制使得系统尽量能一 次满足系统要求。 图2 2s o c 设计流程【2 2 3i p 核设计和可复用技术 所谓i p 就是常说的知识产权。美国的d a t a q u e s t 咨询公司将半导体产业中的 i p 定义为用于a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ，a s s p ( a p p l i c a t i o n s p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t ) 等器件中，并且是预先设计好的电路功能模块。本文认为 所谓i p 核就是指己经设计好的并经过实际验证的具有特定功能的性能优化的一些 电路功能模块。i p 核一般包含以下三层含义1 2 6 j ：首先i p 核是些设计好的功能模块， 购买一个i p 核所得到的只是一些设计数据，而不是实际芯片；其次为了确保i p 核 的性能可靠，要求i p 核必需经过实际验证，最好是i p 核在设计中已经被成功使用， 最起码也是经过某种可编程器件例如现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) 等验证功能是正确的设计；最后，为了吸引别人购买你的i p 核，这要 求你的i p 核必需经过性能优化。只有那些性能优异的i p 核才会有人来购买。 第二章s d m i c 卡工业生产平台的s o c 设计技术 从提交形式上看，i p 核一般分为三种，即软核( s o f tc o r e s ) 、硬核( h a r dc o r e s ) 和固核( f i r mc o r e s ) t 2 3 , 。j 。 软核一般是指以可综合的r t l 级描述提交的核。由于软核不依赖于最终的实 现工艺，因此具有很大的灵活性。使用者可以非常方便地将其映射到自己所使用 的工艺上，可复用性最高。此外，软核的使用者完全拥有源代码，使用者可以通 过修改源代码，并对源代码进行优化生成自己的软核。但软核也有其不足之处。 软核所提供的是r t l 级描述，而用户要将它嵌入到自己的设计中就必须自己对从 r t l 到版 ( l a y o u t ) 的转换全过程负责，这样设计的复杂性将大大增大。同时核的 性能在这种转换过程中也难以得到保证。 硬核一般是指以电路版图形式提交的核。很显然，硬核总是与特定的实现工 艺相关，而且核的形状、大小以及核的端口的位置都是固定的。因此它的灵活性 最小，可复用性最低；但正是硬核具有不可更改性，因此它的性能最稳定，可谁性 最高。 固核处于软核和硬核之间，它一般是以门级网表的形式提交。固核通常对应 于某一特定的实现工艺，因此与软核相比，它的性能更加可靠。固核一般由使用 者来完成布局布线，因此核的形状、大小以及核的端口的位置都是不固定的，因 此与硬核相比它有更大的灵活性。但是固核也有其自身的弱点，即它与实现工艺 的相关性以及网表的难读性。与实现工艺的相关性限制了固核的使用范围；而网 表的难读性使得一旦用户在布局布线过程中出现时序违反时，如何排除它就显得 非常困难。三种i p 核之间的特点如表2 _ 3 所示。 复用实际上包含两方面含义：方面是面向复用的i p 核设计( i pc o r ed e s i g n f o r r e u s e ) ，即对于核提供者来说如何确保自己设计出的i p 核是可复用的：另一方 面作为芯片集成者，如何在设计中成功复用别人设计的i p 核( r e u s ei pc o r e ) 。 表2 3 三种i p 核之间的特点比较 名称提交形式与实现工艺相关性灵活性可靠性 软核r t l 描述无关高低 固核门级网表相关一般一般 硬核版图相关低高 为了使所设计的i p 核具有可复用性，需要注意以下几点【2 。 1 所设计的i p 核应该是用于解决某一个通用问题，这意味着所设计的i p 核易 于被配置以适合于不同的应用场合。 2 所设计的i p 核要针对不同工艺有不同版本的数据库。对于软核，需要有针 对不同工艺库( l i b r a r y ) 的不同综合脚本( s y n t h e s i ss c r i p t s ) ：对于硬核，这意昧着要 有一个有效的移植策略，将硬核映射到新工艺。 用yf l a s h 卡生产的s o c 平台关键技术研究 3 所设计的i p 核允许在多种仿真器上进行仿真。仅仅适合在某一种仿真器上 仿真的i p 核的测试台( t e s t b e n c h ) 的复用性较差。一个具有良好复用性的设计不仅 有v e r i l o g 模型，而且有v h d l 模型，并有相应的验证测