（计算机科学与技术专业论文）soc事务级ip核建模与管理技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 系统芯片( s y s t e m o n _ a - c h i p ，s o c ) 在单个硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处 理和i 0 等功能，具有速度快、繁成度离、功糕低等优点，已成为v l s i 与微电子研究与 发展的一个重要方向。目前，s o c 的集成度越来越高，设计复杂性日益增大。为了解决这 些问题，一般采髑软硬件协同设计方法进行s o c 设计a 其中主要有基于模块的设计 ( b l o c k b a s e dd e s i g n ，b b d ) 方法和基于平台的设计( p l a t f o r n b a s e dd e s i 黔，p b d ) 方 法。 b b d 方法强调f p 重焉，它逯过l p 核的集成技本= | 勾造s o c 系统。p b d 方法是b 8 d 方 法的成熟和扩展，它延律了设计重用的理念，强调系统重翔。但这些方法都试图从系统模 型直接综合到s o c 系统软件磊标代码以及可综合的r t l 硬件系统结构，难度很大。 为解决上述问题，我们提出基于屡次平台的设计方法( h i p b d ) ，在系统描述与目标 系统之间插入事务级以降低直接从s o c 系统模型过渡到r t l 级s o c 系统的设计难度，提 高s o c 系统综合的可实现性。 本文面囱基于层次平台的s o c 系统设计方法构建s o c 离层软疆 睾协同设计平台豹应用 需求，对s o c 赢层设计平台中事务级i p 核的建模与管理技术进行了较深入的研究。完成 的主要工作和主要研究成聚如下： 在磷究已有雕l 缀i p 核建模方法的纂础土，深入研究行为级i p 核的建模方法，提班 了一种面向s o c 的事务级i p 核建模方法。设计实现了事务级i p 核的建模工具，建模 工其中包括事务级的i p 核可视纯设计，事务级i p 核的装配，自动生成事务级强棱硬 件描述代码( 采用s y s t e m c 语言) 和其他一些功能。用我们基于s y s t e m c 语言生成的 事务级j p 嚣g 编码的l p 核为例子，验证工具的正确性，弗优化与完善它的功能。 设计实现了事务级特征描述以及事务级l p 核的数据管理，事务级i p 核由l p 特征描述 单元、i p 特征描述符、i p 特糕描述集合构成， p 特征描述单元是构成i p 库的最小单 彼，i p 特，压描述符由若于i ) 描述擎元构成，i p 特 芷集合由i p 特征描述符构成，i p 特 征描述集合完整的定义了一个i p 核在i p 库中存放的数据结构。在事务级i p 核数据管 理中，为了高效的搜索i p 核，构建了事务级1 p 库的树型结构，以i p 的功能为主要搜 索要素，功能相同的i p 核被封装在同个x m l 文件中，并设立访问权限，避免冗余 信息，提高搜索效率，并且实现知识产权保护。 提出了一融基于状态机的事务级i p 核接口封装算法。算法的主要思想是把w i s h b o n e 憨线抽象翻事务级，把事务级憨线抽象成一个模块，同样需要与总线相连的l p 核也抽 象成一个模块，雕个模块分别有各叁的状态枫，邋逑两个状态桃的合并和优化最终艇 成接口状态机，从而得到相应的接口。并以j p e g 编码的事务级i p 核为例验证了接口 算法的正确性。 关键词：系统芯片、事务级、i p 库、接口封装、s y s t e m c 、x m l 第1 页 国防科学技术火学研究生院学位论文 图lb b d 流程 图2 p b d 设诗流程 图3h 1 p b d 总体结构图 图4 行为级建模的模型 图目录 图5 事务级s o c 系统硬件连接图 圈6m p 3 播敖器s o c 系统的事务级结构 酉7 攀务级s o c 系统嵌入式软 孛代码 图8 事务级s o c 系统嵌入式部分直接仿真 图9 加法器的事务级i p 核表示一 图1 0 事务级i p 核的层次结构， 图1 1 事务级i p 核模型的构成 图l2 事务级i p 模型与s y s t e m c 模块间的对应关系 图1 3 事务级体系结构模板实例 图1 4 事务级综合实例 图1 5s y s t e m c 通道端口和接口的关系图 图1 6 避程逶过接口方法调蠲与遴道遗信 图1 7j p e g 编码的事务级i p 核结构图 图1 8j p e g 编码的程序设计流程图 图1 9b m p 格式图像与j p e g 格式图像对比图 图2 0 模块建模工具截图 图2 l 模块x m 己文件截图 图2 2 模块连接示意图 图2 3t o p 模块形成示意圈 图2 4 酌p 模块的示意图 图2 5m a s 髓r 模块建立示意图 图2 6 模块问m s 通信图 图2 7 事务级i p 核接口封装示意图 图2 8 接口纣装抽象图 图2 9 接口状态梳生成示意图 图3 0 接口状态极生成算法滤程圈 图3lf d c t 模块的状态转换图 图3 2 事务级i p 的抽象结构图 图3 3i p 特征描述单元 图3 4 王 特征描述符 图3 5i p 特镊描述集合 图3 6i p 存储格式的s c h e m a 实例 第i l i 炎 j m m 埒n b竹拇烈撕弱 x 国跨科学技术犬学研究囊院学位沦文 表匿录 表l 单一模块建模对应表2 2 表2 建立的模块信息一2 3 表3 琰层模块建立袭。2 3 表4 名字关联端口嗣信号对殿表2 4 表5 主从模块建模信息表2 5 表6 项层模块建立袭2 5 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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，除了文申特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表和撰写辽的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育橇构的学位或证书褥使角过皓材料。与我一嗣工作曲同志对本研究所做的任 馋贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题舀：! 煎皇盔堡! ! 缝建攫墨篁垄遮蕉堡壅 学位论文作者签名i 一盘遗日期：矽哆年三月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送突论文的复印俘和电予 文档，免许论文被查阅和借阕；可激将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行硷索，可以采用影印、缝印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文髭解密后适用本授权书。) 学位论文题目：鳗复叠丞l ! 蕉璧搓蔓篁堡整查壁塞 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 妥叠 缘壁鱼 日期：埘年，工兵彳曩 日期：艚年胆月即日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章缝论 1 1 研究背景 睫蔫超大规模集成电路制造技术的迅速发展，半导体加工工艺进入深亚微米时代，器 件特征尺寸越来越小，芯片规模越来越大，已经可以在单个芯片上集成上千万甚至成亿个 晶体管。集成电路与深亚微米制造技术的高速发展，使s o c ( s y s t e m o n a - c h 氓系统芯片， 也穗为片上系统或系统集戏芯片) 应用成为w 熊。s o c 将系统全部功能模块集成劐一块芯 片上，从弱在单个硅芯片上实现信号采集、转换、存德、处理和i ，o 等功能，或嚣说在单 一硅芯片上集成数字电路、模拟电路、信号采集与转换电路、存储器等，实现个系统的 功能。s o c 其露速度快、集成度高、功耗低等优点i ，此外，由于s o c 集成了多个功能， 使整机成本祁体积都太大降低，加快了整机更耨换代的速凄。s o c 的这些优点顺斑了通信、 电脑、消费电子产品向轻、薄、短和低功耗方向发展的趋势，成为v l s i 与微电予研究与 发展的熏要方向之一。 健蟊前集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 产蛾出现的现象是i c 设计与验_ i 芷技术的发 展越来越落后于i c 制造技术的发建1 2 ”，这种现象已经成为s o c 发鼹嚣糨瓣一个凝大闷题， 软硬件旃嗣设计帮设计羹用是解决此问题的关键。 目前主要采用豹是软硬l 牛协嗣设计方法进行s o c 系统设计。其中主要有h 】基予模块的 设计( b l o c k 转a s e dd e s i 薛，b b d ) 方法和基于平台的设计( 壬 l a t 如靴b a s e dd e s i g n ，p b d ) 方法。b b d 方法强调i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e n y ) 霆用，它通过i p 核的集成技术构造s o c 系 统。但对于较大较复杂的s o c 系统设计，由于焘集成豹i p 数尽大、类型繁多、各方提供 的i 王核接嗣不致等问题，使得利嗣b b d 方法进行s o c 设计仍然非常复杂。p b d 方法 5 1 f 6 j 【7 l 【8 1 是近几年提出的s o c 系统软硬磐拚同设诗新方法，是b b d 方法的成熟翻扩展，它 延伸了设计重用的理念，强调系统重用。与b b d 方法相沈，p b d 方法其有产品开发周期 短，重弼率高以及设计质量好等忧点，嚣此，纂予平台的设计方法正艘为s o c 软硬 牛协褥 设计的主流。 在基于模块的设计重用过程中，徐核的地位非常熏要，它主要包含两方赠的内容：i p 核的使用和i p 核的生成。基于模块的设计方法步骤如下：1 ) 。蓠先进行s o c 系统需求分婿， 系统需求包括系统的功能和性能指标( 如速度、误码率、误帧率、功耗、丽积等) 。2 ) 然 爱，设计者需要根据经验，农软硬 孛划分工具躲支持下确定适当的体系结梅，劳将系统各 部分功能分别划分到硬件或软件实现。3 ) 软硬件划分完成后，进行软硬件协同仿真，得到 系统的性能参数，确保划分结果满足系统需求。4 ) 其羼，分剐实现系统的软 牛部分和硬 牛 部分，彳导到软件目标代码秘可综合的r t l 系统结掏。其中，硬件部分的设计过程在已有i p 核的基硇上通过定制模块进行。5 ) 最后，将软件目标代码和r t l 硬件系统缩构集成为s o c 系统。图l 描述了基于模块( b b d ) 的s o c 的设计流程吼 第j 页 国防科学技术火学研究生院学位论文 ，赢 j7 藤】 登竺兰卜一 、一一一一了性能分斩1 雨i 潦，一一，一一i 赢蠢“ 、一7 、曼一，j| | 一? ? ：氟言赢，：i 磊轧 、。兰一jj 、旦j ，j j 一一i 7 t 较硬件茉统了 、， 图8 b d 流程 与基于模块的方法相比，基于平台( p b d ) 的设计方法强调系统级重用，该方法不仅 重用以往的设计结果，而且重用其设计过程。p b d 方法的另一特点是强调设计过程中功能 与结构分离、计算与通讯分离，即设计要素的正交化。 图2 屡示了使用实骥的p b d 设计流程。它将圈l 中的软硬件划分步骤分解为行为建模、 体系结构建攘与行为结构映射3 个部分。行为建模关注系统的功能行为，体系结构建模关 注目标系统结构以及i p 核的重用，最后通过行为结构映射将系统行为综合到硬件结构上。 映射过程中，有的功能行为被分配到处理器上作为软件运行，有的则被分配到硬件部件上 直接由硬件实现。 二* 一一( i集随 i 、一r ，戚言；张、 、点! 塑! 塑爹。 图2 p b d 设计流程 从图1 与图2 可以看出，已有的s o c 系统设计方法试图从系统描述通过软硬件划分、 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 行为与系统结构建模、功能- 结构映射、软硬件求精、软硬件集成等过程盔接得到s o c 系 统的软件嚣标代码以及可综合的r t l 硬l 譬系统结构。 这些方法存在的问题主要有：1 ) 几乎都试图从系统模型直接综合到s o c 系统软件目 标代码以及可综合的r t l 硬件系统结构。而系统模型与r 1 、l 硬件系统结构之间的跨度很 大，实际设计中难以直接综合。2 ) 传统的p b d 方法仅支持通过修改嵌入式软l 孛模块实现 新设计所霈豹新功能，不能改变平台的硬件结构，设计灵活性差。3 ) 这些方法没有将系 统性能约束嵌入到设计模型中并使性能约束随设计过程向下传播，只是采用性能分析手段 被动地验证某设计步骤是否满足性能要求，这样在性能不满足时就可能出现设计步骤的较 大反复。 为解决上述问题，我们提出基予层次平台的设计方法( i p b d ) 【l 。】【l l 】，在系统描述与 舀标系统之间插入“虚拟设计”层次( 纛部件层) 以降低两者之间直接综合的复杂性。h i p b d 将s o c 系统设计过程分为系统模型层、虚部 牛层和实部件层，通过系统模型到虚部件层以 及虚部件瑟到实部件层2 次映射完成s o c 系统从行为到实现的设计过程。3 个设计层次的 定义使功能与结构分离、计算与通讯分离，便于修改设计模板，确保平台重用的同时不损 失设计灵活性。h i p b d 方法中的系统建模不仪强调功能季亍为，也突出系统性能约柬的霍 要性，并曼系统模型的性能约束随着2 次跌射过程向下传播，从而使各设计过程“主动地” 满足系统性能要求。 图3 给出了基于层次平台的s o c 系统设计方法( h i p b d ) 总体结构。h i p b d 方法将 s o c 系统赢层设计过程分为三个设计层次：系统模型层、虚韶件层积实部传爨；该方法分 剜定义设计怒划与虚一实综合过程，从丽实现设计按次之 x 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 行为级建模的模型 国内也有一些单位开展了软硬件拚同设计技术的研突。但对行为级的研究缀少，目翦 还没有支持s o c 软硬协固设计的赢晶化环境和较成功豹原型环境。 综上所述在行为级建模的研究方面，虽然已经提出了行为级建模的几种模型，但模型 还不完善，并且针对性不强。 在i p 核的研究方面，许多大的公司都致力于传统i p 核的研究，如一些大的e d a 厂家 和i p 专营公司、i c 公司等。如包括日本的n e c 公司、美国的v t 和x l i l l ) 【公司等，推出 的是一系列微处理器核和d s p 核也推出了一些s o c 中各种电路模块、存储模块期嵌入式 的i p 核。 分析i p 核的研究方愿，对基于平台的系统霪用研究较少。主要集中禚传统的 p 核的 羹用研究方面，虽然通过i p 重用在一定程度上可| 三 提高s o c 设计效率，但由于s o c 本身 是非常复杂的系统，i p 核的接口、时序阱及不同i p 核之间的同步、验证非常复杂不能保 证s o c 的设计质量。研究事务级i p 核并对其进行建模和管理就变得很有意义。 1 3 主要工作 本文对s o c 系统中事务级i p 核的建模与管理技术进行研究，分析了已有的关于母核 建模技术，i p 核接口封装技术以及i p 核的管理技术的不足。在此纂础上结合我船提出的 基于层次平台的s o c 系统设计方法虚部件层的特点，实琥了事务级i p 核的建模工具，提 出并实现了l p 核接口封装算法，实现了i p 核瘁管理工其。完成的主要工作和主要研究成 巢如下： 在研究已有附l 级i p 核建模方法的基础上，深入研究行为级i p 核的建模方法，提出 了一种面向s o c 的事务级i p 核建模方法。建立了事务级i p 核的建模工具，建模工具 中包括事务级的i p 核可视化设计，事务级i p 核的装配时羹争! 黟矧 也藿 国防军萼学技术大学研究生貔学位论文 第二章事务级s o c 系统设计方法 2 1 事务级的定义 事务级s o c 系统是h i p b d 方法中的“虚拟设计”层，它抽象出r t l 级s o c 系统的 软硬件体系结构，癯不涉及软硬件接园细节( 雏软件软 串通信、软嵇磺件逶信以及硬件 硬件通信) ，通过事务级消息传递机制( 如m a s t e “s l a v e 方式) 进行软硬件通信。图5 描述 事务级s o c 系统硬件部分的连接关系。每个事务级i p 核一般具有m a s t e r ，s 1 a v e 端日，用于 进行事务级消息传递，事务级i p 核之间在事务级通讯协议框架支持下完成消患交换。 图5 事务级s o c 系统硬件连接图 事务级主要包括事务级专用部件、事务级通讯部件和事务级过程部件。事务级专用部 件是一类专用穆核( 除擞处理嚣核帮d s p 核外) 的抽象，它隐藏了与专用l p 核相关的复 杂细节。事务级过程部件是拟映射到嵌入式处理器核( m p u 、d s p 等) 上运行的软件算法 过程，事务级通讯部件定义了事务级专用部件、事务级过程部件之间的甄连通讯行为，以 实现事务级专用部件和事务级过程部件的“即插即用”。在系统任务粒度规划合理的情况 下，c t g 模粼中的畸任务可直接映射到事务级。图6 描述了一个m p 3 播放器| 1 4 】s o c 系统 的事务级结构框架示意图，图中其有9 个事务级的i p 核，其中一个事务级i p 核为嵌入式 处理器部件，在该部件上可运行嵌入式软件及虚拟嵌入式操作系统部分。这是一个较为完 整的事务级s o c 系统，在篾化的枣务级s o c 系统模型中，为了降低嵌入式微处理器以及虚 拟嵌入式操作系统的虚部件建模工作，可直接将图6 中的软件事务级进程封装成s y s t e m c 模块进行通讯、仿真与桎能评价。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 在实际的事务级建模过程中，事务级i p 模型的结构部分与行为部分的每个项并非必不 可少的。例如，对予图9 所攒述的加法器，英i p 模型中就没有子模块列袤、通道列表、晒 时变量列表、子模块实例化及其端口映射列表等。幕务级l p 模型与s y s t e m c 中的模块 ( m o d u l e ) 存在一定的对应关系，我们分别用s y s t c m c 描述了图9 中的加法器以及图l o 中的m o d x 模块，并在图1 2 中描述了事务级i p 模型与s y s t e m c 模块问的对应关系。 在h i p b d 方法中，定义事务级l p 横登主要露以下强韵： 1 ) 有效支持事务级i p 库的建设，从丽将具有不同功能的事务级i p 核组织起来并放在 库中，供以艏构造事务级s o c 系统时使用。 2 ) ，能骞效支持软硬 孛划分、离层综合等设计避程。事务级i p 模型将s y s t e m c 模块分 为结构部分和行为部分，其中结构部分主要摇述虚部 孛结构与构成方面的信息，行为部分 主要刻萄虚部件的内在的行为特征。这种描述方式将事务级s o c 系统的结构部分独立出来， 藤在设计过程的离层综台( 即 i p b d 中豹寝蜜综合) 阶段主要关注的就是事务缀s o c 系 统的络构信息。因此，建立事务级模型可为赢屡综合提供清晰瓣输入描述，有利予离层综 合过程的设计与实现。 3 ) 蠢利于快速构建事务级s o c 系统。搴务级模型支持通过子模块的组合构造新的模 块，并且予模块豹连接与端口殃射、事务级f p 库的建立，都能有效支持快速构建事务级 s o c 系统，特别是有和于自动掏建事务级s o c 系统，从丽提高事务级设计空间探索的效率。 4 ) 对于难以在s y s t e m c 模块中描述的部分，可在事务级模型中方便地描述出来。例如， s y s t e m c 语言难以支持在模块( m o d u l e ) 中描述模块鑫身的性能特征( 或性能约束) ，但在 事务级模型中，可以通过对事务级模型的扩展( 如在事务级模型中增加性能特征部分) 来 支持所需的描述。 图2 事务级 p 摸型与s y s f e m c 模块阍的对应关系 第l l 页 国防科学技术人学研究生靛学位论文 2 4 嵌入式软件进程的事务级封装 除了采用事务级建模技术外，在构建事务级s o c 系统时还需要解决两个问越：1 ) 尊何 封装划分后的嵌入式软件进程，从而有效进行事务级s o c 系统的模型简化，以提高事务级 软硬件淹同仿真与性能评价的效率；2 ) 事务级之间采用， 可种方式通讯，习”能缳证既可毒效 支持事务级s o c 系统建模，又可有效支持高层系统综合( 即虚实综合) 。 事务级s o c 系统麓化模型对嵌入式软馋进程进行s y s t e 珧c 模块鹫装，并蒋封装螽耩到 的事务级模块与其他专用部件等一嗣在s y s t e m c 仿囊内核上进雩亍仿真与性能分丰斥。嵌入式 软件进程封装，本质上就是为该避程建立相应的事务级i p 核模型，稠用嵌入式软件进程中 已经存在的高级程序设计语言代码作为事务级模型的行为部分，利用该进程的输入参数、 输出参数、全局变量以及外部接口函数提供的信息定义事务级模烈的结构部分。在h i p b d 方法中，把封装后的嵌入式软件进程称为过程部俘。 2 5 用事务级总线实现事务级l p 核的通讯 事务级s o c 系统中各个事务级i p 核之闻的逶派方式，对于事务级s o c 系统快速建模、 软硬件划分映射以及从事务级s o c 系统到实都 牛层s o c 系统的虞实综合( 寒层系统综合) 存较大的影桶。特别是对予高层系统综合，由于h i p b d 方法中高层系统综合实质上就是 要从事务级s o c 系统的顶搿虚部件模型综合到盯l 级的实部件层s o c f 堪涤统，丽接口综 合是其中的关键。只有按照与实部件层s o c 系统类似的总线缩构模型定义顶层事务级通讯 互连结构，接口综合过程才能较为容易她生成实部件层s o c 系统的互连通讯网络与总线结 构。为此，定义事务级总线，事务级总线对应于r t l 级设计中的总线及总线仲裁器，它将 数据类型媚同的事务级i p 核拣臼连接起寒，并逶过消息转发机制实现消患的准确传递。 在本文中使用的是w s i h b o n e 总线在事务级的抽象朱定义事务级总线的，然屠给出 了事务级i p 核的接目封装算法。使得事务级i p 核能够挂接在事务缀总线上与其它的i p 核 互连透添。 2 6 事务级体系结构模板 摩务级s o c 体系结构模板主要为h i p b d 方法中的事务级设计熏用提供支持。面自不 同的s o c 应用领域，需要分别建立相应领域的事务级体系结构模板。事务级体系结构模板 以事务级i p 模型为基础，囱于事努级球摸型可支持层次式建模，大豹模块可由若干个较 小的模块组台丽成，丽这些较小的宰务级i p 模块还可以进一步由委小的模块构成。因此， 可以将事务级s o e 体系结构模板看成 珏p b d 方法中的顶层( t o pl e v c l ) 模块，然后利用前 瑟提出游事务级i p 核的建模方法、嵌入式软件进程的事务级封装方法以及用事务级总线实 现事务级i p 互连与通讯的方法构建事务级体系结构模板。图1 3 给出了一个事务级模板的 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 简单实例，此实例包含两个事务缀总线 用嗣角框表示) 、三个事务级i p 核( 用虚线框表 示) 和六个事务级专用邦 孛( 其中个髑予实现总线之间的消惠蟒接) 。当允许不同事务 级l p 执行并发操作或当消慧数撼类型不一致时，就霹能需要使用多个总线。可凳，在事务 级体系结构模板中已经说明了哪些部分被划分到硬件，哪些部分被划分到软件；并且，事 务级体系结构摸板本质上是实部件层s o c 系统软硬件结构的抽象，其中事务级i p 对应于 实部件嫠系统的硬件单元，事务级过程部件对应予实部件层系统的嵌入式软件进程( 并由 实时操作系统r t o s 管理这些进程) ，事务级总线则在接目综合阶段被综合成实部件层总 线挤议、总线 孛裁器、硬件驱动程序a p i 等。对于特定的s o c 应用领域，由于应用特征、 功能背景以及性能需求都较为相似，因此，事务级体系结构模板为应闵领域建立的爨有一 定驰领域通用性与较强的针对性，适合躺决该领域的s o c 设计问题。 图1 3 事务级体系结构模扳实铡 2 7 事务级综合 事务级综合的任务是将事务级s o c 系统综合到灯l 级的实部件层s o c 系统，并将事 务级系统中的性能约束传播到实部件系统。其中，事务级i p 按被综合到专用实i p 核，事 务级过程帮件渡综合到嵌入式软件模块，通讯部l 牛被综合成实互连隧络( 遴鬻是s o c 片上 总线，如w l s h b o n 暑等) ，r t o s 受责调度软件模块在嵌入式处理器上的运行。 在h i p b d 方法中，搴务级综合主要包括两个阶段，即：两层部件匹配与实部件层接 因综合。郝传题配把事务级s o c 系统中的专用帮件躁配到实部件层的专用实i p 核，把过 程部件变换成实时操作系统中的嵌入式软件进程；实部件层接口综合把事务级通讯部件以 及事务级通讯部传中实现的瑞口地赶| = 映射、消息转发枫涮等信息综合到实部件屡s o c 系统 豹片上总线结构。 按照综台过程中考虑豹目标系统，可将枣务级综台器成一个系统综合避程，它分为硬 件综合与软件综合巍个部分。其中磷件综合以片上总线协议为核心，需要解决的主要问题 是硬件部件之间的互连通讯接口；软件综合以实时操作系统为核心，需要解决的主要问题 第1 3 页 蕃防科学技术火学研究生院学位论文 是进程问通讯、调度以及软件进程与硬件i p 核的驱动程序接口生成等问题。 事务级综合的工作过程是： 幻部件匹配。专用部 串的双配主要是将其对应戮满足性能要求的专用实撑核：过程 部件的匹配通常需要先确定在实部件系统中采用的实时操作系统，然后将冬过程部件转换 为软件进程，这些软件进程在实时操作系统的调度下遣行。h i p b d 方法分别为事务级和 实部件层建立事务级i p 核库和实部件库，并且在建库时说明事务级部件与实部件之黼的映 射与匹配关系。通常情况下，一个事务级部件可以与不同性能、不闷配置的若干个实部件 对应，部件蕊配过程将根据设计蕊划时为事务级部件指定的性能约柬等因素选择与匹配适 当的实部件。 b ) 实部件系统接口综合。依据事务级s o c 系统中通讯部件描述的端口她韭映射、涪 息转发机制等信息，将通讯部件综合到实部件层s o c 系统的片上总线结构以及r 1 0 s 系统 中的硬件驱动程序接习等。在此过程中可能会生成胶合逻辑( g i u el o g i c ) 以及硬件i p 核的 驱动应用程序a p i 接口。 c 1 实部件系统嵌入式软件模块编译与优化。将事务级过程部件转换并编译为可在所 选嵌入式处理器上运行能鼹标代码，并采用编译优优技术优化鼙标代码。此过程由砸重定 囱编译器完成。 d ) ，约束传播。将事务级部件层各部件豹性能约束经过适当变换羼继承到匹配怎的相 关实部件，这样，实部件s o c 系统中的软硬件部分就其有性能约束限制，用予指导藤续的 设计过程。 图1 4 绘出了h i p b d 设计中婚事务级s o c 系统映射到r t l 级实部件层s o c 系统的方 法。其中，事务级专用部件v h w i po 、v h w i pl 、v h w i p4 依次被匹配到r t l 级 实部件r h w l po 、r h w i pl 、。、r h w l p4 ；过程部件v s w po 、v s w i pl 和v s 砌2 依次被转换成嵌入式软件进程r s w i po 、r s w i pl 和r s w i p2 ；通讯部件尉对应于实部件 层的片上总线协议( 如w i s h b o n e ) ，并以一定方式完成地址映慰。此外，实郝传层s o c 系统中的其他的部分( 如中断处理模块i r q 、直接存储嚣访问模块d m a 、定时器模块t i m e r 、 片上总线协议框架、嵌入式处理器核以及实时操作系统r 1 1 0 s ) 基本都属予应用领域平台 中固有的部分，它们可看作是基于层次平台设计方法中实郝件层s o c 系统模板的一部分， 针对这一类应用领域，可以在综合时将它们看j 乍是已有的部件。 第1 4 页 国防科学技术人学研究生浣学位论文 图1 4 事务级综合实例 2 8 本壹小结 事务级是介予系统层和实部件层之间的很重要的一层，它起着中间过渡的作用，降低 了从系统层直接映射到实部件层的难度。 本牵第一小节、第二小节介绍了事务级的基本定义，以及事务级s o c 的简化模型，重 点在第三小节介绍了事务级i p 核的建模方法，事务级i p 核的描述语言s v s t e m c 语言。 在第四、五、六小节筵要介绍了事务级总线和事务级体系结构模板，以及它们与事务级建 模工具的关系。最后小节简要介绍了事务级综合的一些概念。 第1 5 页 国防科学技术火。学研究生院学位论文 第三章s o c 事务级l p 核建模工具设计方法 3 事务级l p 核简介 3 。1 1 事务级i p 核豹概念晕囵与r 丁l 级i p 核的区澍 事务级i p 核可定义为r t l 级i p 核 i9 j 在功能、接口等方器的抽象，但不涉及勰l 缀 i p 核通讯协议、控制信号、时钟同步等设计绷节，从而提裔了s o c 设计与重用层次( r t l 缀i p 重蹋到事务级i p 重用、模块重用到系统重用) 。 枣务级的i p 核与r t l 级的i p 孩楣比主要肖以下凡点不弼： 1 ) 事务级i p 核模型是将理想的结构映射副需要考虑资源分配和设计约束的结构中。 2 ) 事务级的i p 核并不需要像r t l 级i p 援那样写成可综合的弋玛。 3 ) 廖务级i p 核模型带意时闯信息，瞧并不精确到对钟周期，利婿的是事件驱动的仿 囊机制，带有时闼估计。 4 ) 事务模黧不精确瓢总线溺期，但与时序有关。 5 ) 零务级模型能基于传输量和延时约束进行延时性能估计。性熊估计能够采用基于 报告的方式，也就是说，时间驱动的信道能够根据总线的宽度和总线协议计算共 报告一个行为需要多少个时钟周期。 6 ) 能够剥用参数来精细调整设计煅范，以勰决约束过紧鲮者过松豹清形。并瑟不同 的总线协议和信号接口进行建摸。 7 ) 攀务级的i p 核模型可方便的扶系统级的c 成c + + 浯言描述的算法得来，向下也可 以逐步细化成为可综合的寄存器传输级模型。 3 。1 2 确定攀务级 p 核的攒述语言 几乎所有的硬件描述语言都支持事务级建模f 2 j 】。但在事务级为了支持进程同步与细 化，s y s t e m c 支持用户自定义的接口、端口和通道。并且，在s y s t e m c 行为级建模中，重 要的楚事务级建模，s y s t e m c 的通信枫制有薅个特点：功能与结构分离；接口方法调用。 而事务级i p 关注的魁结构部分，所以这个机制更有到予描述事务级i p 核。s y s t e m c 定义 了接口( i j n e r f 如e ) 、端口( p o r t ) 和通道( c h a n n e l ) ，它们之间的关系如图1 5 所示。 接口是一个c 十+ 抽象类，这静抽象类定义了一组撼象方法，但不定义这些方法的其体 实现，这些方法都是缝虚函数：通道实魏一个或多个接口，也就是继承个或多个接嗣， 这些接口中定义的抽象方法必须在通遂中实现。通过端期，模块中豹避程可以连接到通道 第1 6 页 国防科学技术犬学研究生院学位论文 并使糟通道提供的方法，端口总是与一定的接口类型相关联的，端口只能连接到实现了该 类接瓣的通道上，如图1 6 所示。 图1 6 进程通过接口方法调用与通道通信 s y s t e m c 这釉接口定义和实现分开的方法是面向对象中的一个羹要概念，称为接日方 法调用。s y s t e m c 行为建模的这些特点符合我们事务级l p 捩建模的特点，所以选用s y s t e m c 作为事务级狰核的描述语言。 3 1 3 j p e g 编码攀务级i p 核 j p e g 编码【2 列的事务级i p 核的总体结构如图1 7 所示，i p 核出豳部分组成，首先， 将图像分为8 x 8 的象素块，嘏擐从左到玄，从上到下的光栅扫描方式避行排序。d c t 变换 ( 离散余弦变换) 是对8 8 的象素块进行计算，秀对6 4 个d c t 系数用均匀量化表进行标 量量化，均匀量化表是依据心淫听觉的实验得出的。这种均匀的标量量化表可以侔为j p e g 标准的一邦分，但不是必须的。将d c t 系数量化后，块中於系数再根据“z ”形扫描方式 排序，得到的比特流阁行顺序编码生成中间的符号序列，最后用h u f f 阱a n 编码中阈符号序 列来存储或传输。 j p e g 编码部分 l 一。 熙1 7j p e g 缡码的事务级l p 按结构图 s y s t e m c 描述的j p e g 编码的事务级l p 核程序口4 心1 是将一个b m p 图像转化成j p e g 圈 第1 7 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 s t a t i cc 。n s t d o u b l ea a n s c a l e f a c t o r 【8 - - ) 初始化了一个8 位的数组， c o n s ts t a t i cb y t es t d y q t 6 4 = ) 初始化标准亮度信号量化模板。 c o n s ts t a i i cb y t es t t u v q t 【6 4 - - ) 初始化标准色差信号量化模板。 v o i ds e t q u a n t t a b i e ( c o n s tb y t e + s t d q t ，b y t e + q t ， i n tq ) ) 函数功能是根据所 需要的质量，将原标准y ，u v 量化表转变成和质量相关的量化表。要求的质量越高，即 q 值越大，量化表里的数值则越小；反之，要求的质量越低，即q 值越小，量化表里的数 值越大。v o i di n i t q t f o r a a n d c t ( ) ) 函数功能是将量化表变成最终针对d c t 变换后的 矩阵的量化表。s c m o d u l e ( q u a m ) ( 。) 是量化模块。 量化的具体操作很简单，就是一个矩阵相乘的过程。 f o r ( i - o ；i = 6 4 mnaminstanc i n s t m c namldtyp mdorsl_po 国防科学技术大学研究生院学位论文 保存模块，船隧2 0 所示。新建的d c t 模块被保存在模块列表中，并且被保存成x m l 文 本描述形式，图2 l 中，我们可以同时看到模块的s y s t e m c 和x m l 的保存形式。 图2 0 模块建模工具截图 图2 1 模块x m l 文件截圈 3 3 2 模块闰连接工具的实堍 模块问的连接工具实现了模块间的连接，在工具中，我们采取的是名字连接的方式 第2 6 页 国防科学技术大学研究生阮学位论文 在连接时如图2 2 所示，c o m o l 和d a t a g e n e r a t o r 是我们以建立的两个模块，我们的目的是 要把这两个模块实例化后连接，形成t 0 p 模块，现在我们从模块列表中选中这两个模块， 点右边的t o p 按钮，就会出现如图2 3 所示的界面。 图2 2 模块连接示意图 图2 3 t b d 模块形成示意图 从图2 3 可以看出，在进行模块连接时，首先要实例化初始模块，如图我们实例化了 c o n t m l 模块一次，d a t a g e n e r a t o r 两次，并建立了两个信号分别连接三个实例之间的端口， 从c o n t r o l 的一个实例中选择要连接的端口，从d a t a g e n e r a t o r 的两个实例中选择要连接的 两个端口，分别用两个信号连接，就完成了t o p 模块的建立，如图2 4 所示是t o p 模块的 示意图。从图中的s y s t e m cc o d e 部分可以看出，t 0 p 模块中有三个模块实例，两个连接信 号，完成了三个模块的连接，可以同其他模块一样被使用。 第2 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 3 3 模块间通信工具的实现 圈2 4 t o p 模块的示意图 模块闻l 约遥信建模，我们采用的蔻m a s t e r - 一s l 氇v e 避信方式，m a s t e r ( 主设备) 是发起 传竣的设备，s l a v e ( 从设备) 响应主设冬的请求，它们之间的透信眭l 逶道完成连接。 m a s t 铮s l a v e 通信模型建模语法要素有：第一、串行通道s cl i n km p ，第二、m 。s 端口 对基本的串行通信组件的描述：通信的方向，通信的发起者，数据类型，可选的交易索引， 总线时钟周期精确的总线协议，第三、并发的通信和执行机制，第四、重用模型，基于 对模块的并发和串行行为的结构封装。由于主模块( m a s t e r ) 和从模块( s l a v e ) 与普通的 模块不同的地方是模块的端口是主从端日，进程是主从进程，所以主从模块的建模与普通 模块基本相同。图2 5 就是m a s e r 模块建立的示意躅，在阉中右上角可以选择模块的类型 是n o m r a l 、m a s t e r 、s l a v e 三种类型，根据不同的类型模块套不同的建立方式。 模块问通信工具实现了建立m 髂t e r 和s l a v e 类型的模块，并且周l i l l k 完成了这鼹种模 块的m s 连接，生成了顶层模块，如图2 6 所示。p 1 和p 2 是已建立的m a s t e r 和s l a v e 模 块，t o p l 是新建的使a 与b 通信的模块。通过“1 1 k 1 来实现。这样我们就可以实现模块间 的m a s t e r s l a v e 连接，以便于i p 模块与总线挂接。 第2 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 5m a s t e r 模块建立示意图 图2 6 模块问m s 通信图 3 。4 小结 事务级i p 核的建模工具在整个环境中非常重要，它与事务级i p 库和事务级体系结构 第2 9 页 国防科学技术大学研究生貌学位论文 模板关系紧密。只有建立了建模工具才能建立搴务级i p 库和完成纂务级的接口封装。 本章主要介绍了s o c 事务级i p 核的建模工具的建立过程，首先第一小节介绍了事务 级i p 核豹概念，事务级i p 菝豹撼述语言，矧j p e g 编码事务级i p 孩豹实例来舆体阐明事 务级i p 核。第二小节从单模块的建模到模块间连接的建模到通信的建模来介绍事务级i p 孩的建摸过程，其中三个部分是瑟层递进的，前一部分的建立是稻部分的基确。最瑶一 小节介绍了建模工具的实现，通过实例来介绍建模工具的特点。 第3 0 页 国防科学技术夫学研究生院学位论文 第四章s o c 事务级i p 核接口封装箅法 由于不同事务级i p 核之间存在兼容性，i p 与总线挂接的接口 2 羽封装问题就变得尤 为重要。本章提出了基于状态机的事务级i p 核的接网封装算法，这个算法的主要思想是把 事务级总线和i p 核抽象成两个模块，分别建立各自的状态机，通过两个状态机的优化与合 并得到接日状态极。实验证明，这弹方法能够实现事务级l p 核的接口自动封装，有效的降 低了i p 模块与总线挂接时的难度。 4 1 接口封装的目的 接口封装是指对不兼容元件的接口生成，在事务级认为是将i p 核封装后可以挂接在 w i s h b o n e 抽象的事务级总线上使用，接口就是事务级i p 核与总线之间的连接模块，如 图2 7 所示。 图2 7 事务级l p 核接口封装示意图 认为事务级黪i p 核( 模块) 和总线可以抽象残两个模块，露接口实际上就是使褥这两 个模块之间可以通信的适配模块，如图2 8 所示，所以得到这个适配模块就相当于得到了 接口。 图2 8 接口封装抽象闺 4 2w h l s b o n e 慧线的事务级抽象 为了使得事务级的i p 核能够互相通讯，我们需要建立事务级的总线标准，为此我们参 考了o s c i 组织最新发布的t l m 规范2 9 1 ，以及、v i s h b o n e 总线协议，把r t l 级w i s h b o n e 第3 l 贞 吲u 一；j_置 一蝌 国罅辩学技术大学研究垒貌学 i ：论文 口。前者与总线部分接口关系密切，后者与i p 核部分接口关系密切。w i s h b o n e 端臼： r s t i ，c l u ，a d l i 【2 5 ：o 】，d a o 【3 1 ：o 】，d 蜓o 【3 l ：o 】，w c js t 町；a c k 啊o ，c y 吖；t a g n _ i ， t a g n j ；与i p 互连的端口：m e m j d t o 2 5 ：o 】，d a l a b u s 【3 l ：蠲，f 辩mro ， m e m 、 r _ o ；s s 虬c