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摘要 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核技术的采用极大提高了s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的 开发效率，而片上总线( o n c h i pb u s ) 的选择和i p 核封装是实现i p 核与芯片连接 的关键步骤。出于目前片_ 卜总线标准众多，因而研究基于s o c 总线的i p 核封装和封 装规范对予j p 核集成问题的解决提供种思路。 本课题是国家高技术研究发展计划项目( 8 6 3 计划) “家庭网络核心s o c 平台 和整体解决方案”( 项目编号2 0 0 3 a a l z l11 0 ) 的一个子课题。本文在研究多种s o c 总线标准的綦础上，深入研究a r m 公司的a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l t e rb u s a r c h i t e c t u r e ) 总线协 义，并且以a m b a 总线为恻，以实际i p 核封装为参考，研究 基于s o c 总线的i p 核割装。同时也提出了基于a m b a 总线的i p 核封装规范n 本文首先介绍了选题的背景和研究意义，分析i p 核互联策略概念和国内外研究 动态，介绍了“8 6 3 ”课题中能整体解决方案、i p 核及s o c 概念。然后执i p 核互联 策略入手，重点阐述了目前比较流行的片上总线规范和总线接口标准，随后对a m b a 总线作详细介绍。在对u a r t 和1 2 c 总线控制器i p 核研究的基础上，详述了甚于 a m b aa p b 总线的i p 核封装过程，提出基于a p b 总线从设备的i p 核封装规范。 随后，从理论角度研究基于a m b aa h b 总线的i p 核的封装闷题，并以w i s h b o n e 总线从设备i p 核为倒，给出封装电路的有限j 扶态机模型，并分不| i 司情况给出了基于 a h b 总线从设备的i p 核封装规范。最后对本课题的工作进行了总结，分析，研究 中存在的问题，并刘今后再丹究_ = 作进行了展望。 关键字：片上系统；片上总线；i p 核；a m b a ；封装； a b s t r a c t t h ea d o p t i o no fi p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) t e c h n o l o g yh a si m p r o v e dt h ee f f i c i e n c yo f s o c ( s y s t e m o nc h i p ) d e s i g n i n gg r e a t l y t h e c h o o s i n go fo c b ( o n c h i pb u s ) a n d w r a p p i n go fi pa r ec r u c i a ls t e p si nc o n n e c t i n gi p sw i t hc h i ph o w e v e r ，t h e r ei ss om a n y s t a n d a r d so fo c b p r e s e n t l ya n dt h es t u d yo fw r a p p i n g1 pa n dw r a p p i n gc r i t e r i ab a s e do n s o co c b m a y b eg i v ea na p p r o a c ht os o l v et h ei n t e g r a t i o no fi p t h er e s e a l c ht o p i ci sap a r to ft h ep r o j e c t t h es o cp l a t f o r mo fh o m en e t w o r k i n g c e n t e r , s p o n s o r e db yt i r e 8 6 3p l a n ( n o 2 0 0 3 a a i z i11 0 ) o nt h eb a s eo fs t u d ym u l t i s o co c bp l o t o c o l sa n dd e e ps t u d yo fa m b ab u s ，t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h er e s e a r c ho f w r a p p i n gi pb a s e do ns o co c b ，w h i c ht a k e sw r a p p i n gi pb a s e do na m b ab u sa s e x a m p l ea n du s e st h ep r o g r e s so fw r a p p i n ga c t u a l 1 p sa sr e f e r e n c e t h ec r i t e r i ao f w r a p p i n gi p sb a s e do na m b a b u si sa l s op u tf o r w a r d f i r s t l y t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n dt h ep u r p o r to fr e s e a r c ht o p i ca n d t h ed e v e l o p m e n to fi p s c o n n e c t i o ns t r a t e g i e sh o m ea n da b r o a da n dt h ew h o l es o l l u t i o no f 9 6 3p r o j e c tt h e ns o m eb a s i cc o n c e p t se k ei pa n ds o c ，a st h ef o u n d a t i o no ft h ep a p e r , a r e i n t r o d u c e d 。t h i r d l y ，t h ep a p e rf o c u s e so l lt h ei n t e r n a t i o n a lm o d e r no c b sc r i t e r i aa n db u s i n t e r f a c es t a n d a r da n dg i v e sa ni n t r o d u c t i o no fa m b ab u sp r o t o c o li nd e t a i l f o m - t h l y ，o n t h eg r o u n do fs t o d i n go fu a r ti pa n di e cb u sc o n t r o l l e ri p t h ew h o l ep r o g r e s so f w r a p p i n gt w oi p sa r es h o w ni nt h ep a p e ra n dt h ec r i t e r i ao fw r a p p i n gi p sa ss l a v ed e v i c e o fa p bi sp u tf o r w a r d a ti a s t t h er e s e a r c ho fw r a p p i n gaw i s h b o n es l a v ei pt om e e tt h e d e m a n do fa m b aa h bi sp r e s e n t e da n dt h em o u d l eo ff s m ( f i n i t es t a l em a c h i n e ) o f w r a p p e rc i r c u i ti s i l l u s t r a t e d b a s e do nt h ew r a p p i n gp r o g r e s sa n dc o n s i d e r i n gd i f f e r e n t f u n c t i o no fa h b ，t h ec r i t e r i ao fw r a p p i n g1 p st ob eas l a v ed e v i c eo fa h bi sb r o u g h t f o r w a r d a tt h ee n do f t h ep a p e r ，s u n n t l a r i z a t i o na n dp r o b l e ma n a l y s e so f t h er e s e a r c hw o r k a r ed i s c u s s e da n dt h ep r o s p e c to ft h er e s e a r c hw o r ki sd i s c u s s e dt o o ， k e yw o r d s ：s o c ；o c b ；i pc o r e ；a m b a ；w r a p ； 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景与研究意义 本课题是“家庭网络核心s o c 平台及其整体解决方案”( 国家8 6 3 课题，项目 编号2 0 0 3 a a i z l l l 0 ) 的子课题。主要研究一种基于s o c 总线的l p 核的封装和接口 方案，并以a m b a 总线为例，以适用于家庭网络核心s o c 平台的i p 核的封装规范 为目标，给出i p 封装的过程和提出相应的封装规范。 随着超大规模集成电路技术的发展，芯片的集成度已经达到了百万门或更高的 级别尤其在集成电路制造工艺进入深亚微米后，可以将整个系统集成到一个芯片， 因此目前的集成电路设计基本上过渡到了片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的设计。 但是，由于设计能力的提高落后于工艺技术的进步，如何缩短设计周期成为设计者 关注的主要问题。i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核的设计与使用在芯片设计中起到了重 要作用。 i p 核集成的关键在于建立正确、高效、灵活的片上总线结构，构造以功能组装 为基础的芯片开发模型。片上总线技术是i p 核集成的关键技术。片上总线技术包括 两个方面，一是选用国际上公开通用的总线结构，二是根据特定领域开发的需要自 主开发片上总线。国际上比较成熟的、较有影响力的几种片上总线标准为：a r m 公 司的a m b a ( a d v a n c c dm i c 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 ) 、s i l i c o r e 公司的w i s h b o n e 和a l t e r a 公司的a v a l o n 等【l l 。 由于a r m 公司的a r m 系列处理器有众多系列来满足不同领域的需求，且有着 体积小、低功耗、低成本、高性能等很多优点【z | ，因此本课题的s o c 平台选用的就 是a r m 公司的微处理器。而a r m 公司所开发的a m b a 片上总线规范为s o c 的设 计提供了以下优点：较好的可移植和可复用设计、低功耗设计、较好的可测性改计， 此外，如果使用a m b a 总线，课题组可以使用大量的第三方l p 核，这些i p 核都符 合a m b a 总线的规范要求，并且经过了严格的验证，最大程度的降低芯片的成本 3 l 。 因此我们选用a m b a 总线作为我们家庭网络核心s o c 平台的片上总线。 本课题组在确定了a m b a 总线作为“家庭网络核心s o c 平台的片上总线后， 针对a m b a 总线进行了大量研究工作。在深入研究a m b a 总线协议的基础上，不 仅实现了a m b a 总线协议，同时还对实现的总线协议进行了验证。此外，本课题组 还基于选定的a m b a 总线j t “发了自己的i p 核，例如v g ai p 核、u s bi p 核和数字 视频处理i p 核等等。随着开发i p 核的力度不断加大，本课题组将逐步形成自己i p 核库。但是，在i p 核开发设计过程中，如何对所开发的i p 核进行封装，使其能够 顺利的接入到所设计的s o c 平台上是一个不能回避的问题。 青岛大学硕士学位论文 不仅仅是本课题开发i p 核的需要，在其它的基于s o c 总线的l p 核开发过程中， 同样产生了对研究基于s o c 总线i p 核的封装和封装规范的要求。封装规范的作用在 于给出封装后的i p 核应满足的要求，而封装后的i p 核只要满足封装规范的要求就 能够正确的接入到s o c 总线。本文只是以a m b a 总线为例，给出i p 核的封装过程 和封装规范。对于其它片上总线规范，封装的过程大都类似，而封装规范则因片上 总线的标准不同而有所不同。 另一方面，因为片上系统的环境和性能需求差异非常大，而目前的总线标准繁 多，且没有一个片上总线能适应所有的情况，再加之许多i p 核在设计之初都是针对 特定的应用，而很少考虑到要与外来电路搭配使用。i p 核本身的缺陷给i p 核集成带 来的一系列问题有：i p 核的接口不能够和系统芯片( s o c ) 定义的片上总线很好地 匹配，i p 核提供的验证模型如b f m ( b f m 总线功能性模型) 等很难集成到s o c 的 验证环境，i p 核提供的技术文档不完善，l p 核提供的技术支持不充分、不及时等等。 为解决此类问题，国际上几个著名的组织相继提出了自己的解决方案【1 】。虚拟插座 接口联盟v s i a ( v i r t u a ls o c k e t i n t e r f a c e a l l i a n c e ) 提出了虚拟器件接口( v c i ) h 标 准，开放核协议国际合作组织o c p i p ( o p e nc o r ep r o t o c o li n t e r n a t i o n a lp a r t n e r s h i p ) 则以s o n i c s 公司的o c p 4 1 ( o p e nc o r ep r o t o c 0 1 ) 接1 5 1 规范为基础，目的是为即插即 用( p l u ga n dp l a y r ) 的s o c 设计提供一套完整的通用标准i p 插座接1 3 ，把o c p 发展 成接口插座标准。o c p 与v s i a 联盟的v c i ( v i r t u a l c o m p o n e n ti n t e r f a c e ) 接口标准 有一定的类似性，但是由于v c i 过于抽象且缺乏相应的技术支持，因此应用在商用 产品开发卜方面，o c p 接口在实用性方面和性能方面开始表现出一定的优势。此外， 思科( s y n o p s y s ) 公司和明岛( m e n t o r ) 公司合作开展了著名的o p e n m o r e ( o p e n m e a s u r eo f r e u s ee x c e l l e n c e ) 5 1 计划；一些开发和销售i p 的公司于1 9 9 6 年成立了可 复用特定应用知识产权开发协会( r a p i d ) ，该协会致力于促进使用并接受外部1 p 产品。虽然v c i 和o c p 标准可以使i p 核互联变得简单，但同样也增大了电路面积 和功耗，要获得相应的技术支持的成本和难度同样是个难点，其应用前景还需要在 实际中进一步检验。而o p e n m o r e 和r a p i d 目前来讲并没有得到太多重视。 总的说来，方面基于s o c 总线的i p 核开发过程中需要有封装规范作为封装 i p 核的依据，使开发的i p 核能够在封装后顺利的接入到s o c 总线上。另一一方面，i p 核复用过程中，很难直接把准备复用的i p 核直接接入到s o c 上，因此如何将一些准 备复用的i p 核集成到s o c 中是在开发过程中不能回避的问题。本文将在如何基于 a m b a 总线进行i p 核封装方面做一些探讨，以求能够发现将一些i p 核快速集成到 s o c 系统中的方法，提高s o c 的开发速度，减少i p 核集成过程中的问题带来的不利 影响。在此基础上相应提出基于a m b a 总线的i p 核封装规范，剥i p 核开发过程中进 第一章绪论 行一定程度的限制或约束，使得本课题组开发的i p 核能够容易的和a m b a 总线互联， 成为能正常运行在a m b a 总线上的从设备，并期望能够对其它片上总线标准的i p 核 封装和封装规范的提出起到一定借鉴作用。 1 2 国内外i p 核集成技术的现状和发展趋势 i p 核集成的技术概括起来可以通过两种方案解决，一种是采用标准的总线结构 ( 如a m b a ) ，另种是定义一种通用的总线接口，而不限制总线的采用。单一总 线方案简单易行，但由于s o c 应用和性能要求的范围很广，单一总线方案不能对所 有的s o c 都提供最优的解决方案，因此s o c 集成者会根据多种因素选择最合适的总 线。 在总线确定之后，s o c 开发者会根据应用和性能要求选择合适的i p 核，或者根 据需求自己开发i p 核。在众多的i p 核中，有很多是基于某种总线进行设计的。如 开放知识产权模块组织( o p e n c o r e s o r g ) ，该组织针对w i s h b o n e 总线开发了很多 l p 核，涉及算法功能、数字信号处理( d s p ) 、通信协泌、存储器和微处理器的内 核，几乎所有的i p 核都有面向w i s h b o n e 总线的接口。最突出的一点就是那些i p 核是开放源代码，任何人都可以下载用于研究。此外，除了a m b a 总线规范的开发 者a r m 公司拥有众多面向a m b a 总线i p 核外，另外一家就是和a r m 有着十年合 作关系的思科( s y n o p s y s ) 公司，该公司不仅拥有a m b a 总线2 0 和3 , 0 标准的l p 核，还开发了大量基于a m b a 总线的外围i p 核( i m p l e m e n ti p ) ，并和a r m 公司 合作开发了大量验证i p 核( v e r i f i c a t i o ni p ) 。验证i p 核( v e r i f i c a t i o ni p ) 是为了 因应系统级芯片设计所带来验证上极大的挑战所特别设计的，专为简化验证流程之 验证用i p 。那些针对某种总线开发的i p 核能够比较容易的接入到对应总线的s o c 系统中，极大简化了集成和验证难度。 还有厂家为了使自己开发的i p 核能够很好的和主流片上总线互联，在开发i p 核的同时也开发接口i p 核。a l t e r a 公司就推出了a t l a n t i c 接口1 6 1 以解决当前通信技 术和电脑技术中五花八门的i o 标准不兼容的问题。a t l a n t i c 支持a l t e r a 的所有i p 核，并得到l p 供应商的支持，例如，最近m o d e l w a r e 已经把a l t e r a 的a t l a n t i c 接口 集成到他的总线i p 核中，a t l a n t i c 也得到a m d 、m o t o r o l a 、i n t e l 、p m c 、a m c c 、 v i t e s s e 等主要面向特定用途的芯片( a s s p ) 供应商的支持。在这方面，这类解决 i p 核互联的方式也得到很多厂家的推崇。 由于i p 核开发标准的不统一和其它原因，国际i p 核市场上还有很多i p 核是不 钊剥某种总线设计的，也没有相应的接口电路i p 核来实现与片上总线了连接，要把 它们集成到s o c 系统中有一定的难度。针对这个问题，虚拟插座接口联盟( v s i a ) 青岛大学硕士学位论文 提出了虚拟器件接口( v c i ) 标准，该标准只是以纸质文档的形式提出，没有任何 技术支持。而开放核协议国际合作组织( o c p i p ) 不仅提出了自己的i p 核接口标准， 而且开发了相应的e d a 工具“c o r e c r e a t o r ”免费向会员单位发放并提供技术支持， 这也客观上促进了该类接1 2 1 的发展。由于v c i 和o c p 非常类似，因此虚拟插座接 口联盟已经接受o c p 为该组织的接口标准进行推广p 1 。 同样是因为i p 核开发标准的不统一和其它原因，在于r 发i p 核的过程中，由于 没有相关封装规范作为参照，往往开发的i p 核不能够正确的封装，因而也不能和确 定的片上总线正常连接。同样的情况也出现在i p 核复用的过程中，因为多种客观因 素的存在，1 p 核复用过程中封装是必不可少的步骤。目前来讲，由于多种总线标准 的存在和i p 核互联方式的多样性，统一的i p 核封装规范还没有条件出现。实际上， 基于某种特定片上总线的i p 核封装规范同样也没有出现，而封装规范的作用也没有 得到相应的重视。但是，封装规范作为实现i p 核和总线的互联的关键作用却不容忽 视，因此提出基于s o c 总线的封装规范有着很强的现实意义。而以a m b a 总线为 例研究i p 核的封装过程和封装规范则可以对其它片上总线的封装起到借鉴作用。 随着中国国内i c 产业迅速发展，越来越多的企业开始关注并转向l p 产、【k 的发 展。但是，由于国内企业自身的实力有限，加之国内整个产业发展环境的不完善， 阻碍了i p 核开发与应用的进程。但是由于国家和各企业普遍重视，跟进的比较及时， 尽管存在一定的困难，但是和圈外的差距并不大。各方面在信息产业部“集成电路i p 核标准工作组”及国际i p 标准化组织制定的相关标准基础上，结合国内的实际情况， 着手建立起实用化的i p 核标准体系，使标准从纸面落实到实际应用中，解决i p 标 准推广应用问题。不仅国内很多高校从事i p 核互联问题的研究，而且很多i p 提供 者也已经意识到i p 核互联问题的重要性。而且我国已经有多个企业或组织成为虚拟 插座接口联盟( v s n ) 或开放核协议困际合作组织( o c p i p ) 的成员，参与i p 核 接口标准的制定。例如上海硅知识产权交易中心( s s i p e x ) 已经成为o c p i p 的会 员并与该组织展开了紧密的合作。 1 3 研究内容相关内容 1 3 1 家庭网络( h o m en e t w o r k i n g ) 和家庭网关( h o m eg a t e w a y ) 家庭网络是信息社会的基本单元，是处理、管理、传输以及存储信息实现家庭 中多种计算、控制、监控和通信设备连接与集成的要素集合。家庭网络最主要的功 能就是实现家庭内部和外部信息的交换。 家庭网络州是信息高速公路进入家庭的产物，是家庭信息基础设施的组成部分。 当前的家庭网络概念已不再仅仅局限于简单的控制部分，而是覆盖家庭全方位的、 4 第一章绪论 提供各种智能服务的网络系统。它主要由数据通信、家庭娱乐和家庭电器控制三大 部分构成，其具体功能主要有安全服务、能源管理、数据通信服务、家庭环境控制 和各种智能控制。控制部分的许多标准业已成熟并已在信息家电中得到实际应用， 数据网络及娱乐网络也有了相应可标准可循，相应的产品在欧美及日本等发达地区 己有一定程度的应用，但现有系统在操作方式及方便使用方面离用户的要求还有一 定的差距。 当不同的网络被连接在一起时，需要一个具有地址变换和媒体变化基本功能的 网关。在户内完成此功能的设备叫做家庭网关【】o l ，它不仅负责备种类型子网之间的 协议转换，而且还要完成家庭智能控制和互联网接入功能，家庭网关应具备三个主 要特征：家庭的互联网接入口、家庭网络的信息中心以及家庭网络的控制中心。 家庭网关由两大主要部分组成：与公共接入网的接口和对多个l a n 节点分发数 据的接口。一方面它通过网络接口单元n i u 实现和公共接入网的连接，即通过有线 方式的t p ( 双绞线) 、c x 同轴电缆线) 、p l ( 电力线) 或光纤，无线方式的卫星 等接久公共网络：另一方面它通过l a n 接口，与家庭网络连接。本课题最终实现的 可重构家庭网关不但能够实现家庭内部网络和外部网络的互联，而且将家庭控制网 络也纳入到网关中统一管理【j 1 1 。 家庭网关具有以下功能：1 ) 模块化、可独立式设备。该系统的各个模块分别独 立按功能设计的模块，可以选择部分功能模块安装，同时可以分步骤安装；2 ) 设备 兼容、分步实施。该网关具有很好的扩展性、配置的灵活性和易操作性；3 ) 可兼顾 大量存在的非智能家电；4 ) 方便将来需要通过电视上网的用户，由于网络化功能强 大，因而将来通过电视实现上网的家庭可以通过电视来监控家居状况；5 ) 适合于智 能家居的d i y ，智能家居有一个重要特点，就是要个性化定制】。 基于体积及成本方面的考虑，家庭网关设备的硬件有单片、单板或多板三种实 现方案。本课题采用的是单板实现方案，其中c p u 、可编程器件及相关芯片集成在 单一芯片上。家庭网关设备的体系结构 】2 1 如图1 1 所示。在功能层上，家庭网关设备 包含一个r i s c 处理器核、内存、d m a 控制器及外围设备接口。根据需要，i o 接口 芯片可以嵌入在家庭网关a s i c 内，也可以作为一个外部芯片放在家庭网关硬件板 上。大多数家庭网络接口包括以太( 如四口以太交换) ，h o m ep n a ( 电话线) 、 h o m ep l u g ( 电力线) 、u s bd e v i c e 、u s bh o s t 、i e e e1 3 9 4 、无线局域网及蓝牙。 青岛大学硕士学位论文 窗窗 圉圉 宁尸 i 凹up u r i t v fn g l n c li m o mc o n t r o l l e r i d m a c o n t r o l l e r i i1li 1 孛出 1 串串幸串牟牟幽凼辜 、i i ， ，。+ j t e x t e r r t a l i n - h o m el i n e s m o d e m 图11 家庭网关设备的体系结构 一 1 3 2s o o ( s y s t e m o n o hi p ) s o c ( s y s t e m o n c h i p ，系统级芯片) m 】，也称为片上系统，可定义为具备完整 系统构架与功能的芯片，其架构包含可执行控制运算或信号处理功能的处理器、内 存、周边电路及系统i p 特定逻辑电路。 s o c 相比板上系统，具有许多优点：1 ) 充分利用i p 技术，减少产品设计复杂 性和开发成本，缩短产品开发的时间：2 ) 单芯片集成电路可以有效地降低系统功耗； 3 ) 减少芯片对外引脚数，简化系统加工的复杂性；4 ) 减少外围驱动接口单元及电 路板之问的信号传递，加快了数掘传输和处理的速度；5 ) 内嵌的线路可以减少甚至 避免电路板信号传送时所造成的系统信号串扰。 s o c 将是微电子芯片技术进一步发展的必然方向。1 9 9 9 年全球半导体市场规 模为1 4 9 4 亿美元，其中s o c 比重占8 3 ，尽管2 0 0 1 年全球半导体市场业绩大幅下 滑，s o c 技术的应用却是有增无减，其在半导体市场中的比重仍然持续上升达到了 1 2 9 。据d a t e q u e s t 最近的统计数据表明，2 0 0 5 年全球系统级芯片( s o c ) 设计的 8 0 都是采用以i p 为主的预定制模块，而2 0 0 3 年这一比例是5 0 ，i p 已经成为未 笫一章绪论 来主流芯片设计的核心构件。 s o c 使用i p 核的目的是加快开发速度，但这并不能满足市场的压力，越来越多 的设计者转向使用基于平台的s o c 设计方法，可重构硬件技术1 1 4 1 将主要应用于实现 设计更改、缩短开发时间以及在产品付运时实现定制等。s o c 开发平台分为很少进 行变动的最小基本平台部分及为了完成系列产品而增加模块的变动部分，模块之间 使用总线进行互联。 s o c 开发平台又分为软件及硬件部分。软件部分又可以分为实时操作系统及应 用软件，每种硬件的再配置都会影响到软件。在软件与硬件分别设计时，一致性是 一件非常困难的事情。该平台用于s o c 产品的极快速设计与集成。应用领域根据市 场目标来选择，重点是可在目标时间内进行大量复用。 s o c 具有降低耗电量、减少体积、增加系统可靠性、提高速度、节省成本等优 势，利用s o c 实现的家庭网络平台分为硬件及软件两大部分，硬件部分包括嵌入式 微处理器，数据存储器、多种网络接口( 无线、有线、电源线等) 、非挥发存储器、 数模、模数转换接口及其它类型的外设接口和驱动器；软件部分分为嵌入式操作系 统、4 通讯协议和浏览器。 s o c 主要有三个关键的支持技术1 ：1 ) 软、硬件的协同设计技术。面向不同系 统的软件和硬件的功能划分理论( f u n c t i o n a lp a r t i t i o nt h e o r y ) 。硬件和软件更加紧 密结合不仅是s o c 的重要特点，也是2 1 世纪i t 业发展的一大趋势。2 ) i p 模块库 问题。i p 模块有三种，即软核、固核和硬核。3 ) 模块界面间的综合分析技术。这主 要包括i p 模块间的胶联逻辑技术( g l u el o g i ct e c h n o l o g i e s ，g l t ) 和i p 模块综合 分析及其实现技术等。 可重构硬件的实现方法多种多样。采用s o c 可重构的方法是指：利用先进的处 理器和可编程芯片内核把尽量多的功能转移到软件中，然后只在最能发挥可重构性 优点的局部模块采用可重构配置。这种方法可使s o c 设计工程师把可配置逻辑结构 简单地当成所用工具包中的又一个硬i p 模块来使用。由此可见，采用s o c 可重构的 方法是改变部分硬件的功能。可重构技术的实现必须使用软件的再配置功能配合工 作。 1 3 3i p ( in t e ii e c t u a ip r o p e r t y ) i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) m 1 7 】就是常说的知识产权。美国d a t a q u e s t 咨询公司将 半导体产业的l p 定义为用于a s i c 、a s s p 、p l d 等当中，并且是预先设计好的电路 功能模块。芯片业中的i p ，也称之为s i p ，即知识产权模块，它是构成s o c 设计的 基础，也是设计业进行殴计重用和资源共享的有效手段。 青岛大学硕士学位论文 i p 的作用是把一组拥有知识产权的电路设计集合在一起，构成芯片的基本单位， 以供设计时搭积木之用。i p 模块已成为复杂：占片系统的基础。它由相应专家完成， 通过授权技术转移被利用到芯片系统中。 。 i p 内核模块有行为( b e h a v i o r ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和物理( p h y s i c a l ) 三级不同 程度的设计，对应有主要描述功能行为的“软i p 内核( s o f ti pc o r e ) ”、完成结构 描述的“固i p 内核( f i r m i pc o r e ) ”和基于物理描述并经过工艺验证的“硬i p 内核 ( h a r d1 pc o r e ) ”三个层次。这相当于集成电路( 器件或部件) 的毛坯、半成品和 成品的设计技术。 软i p 内核通常是用某种h d l 文本提交用户，它已经过行为级设计优化和功能 验证，但其中不含有任何具体的物理信息，具有最大的灵活性，实现可再配置。 硬i p 内核是基于某种半导体工艺的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺， 并已经过工艺验证，具有可保证的性能。随着设计深度的提高，后续工序所需要做 的事情就越少，当然，灵活性也就越少。 固i p 内核的设计深度则是介于软i p 内核和硬i p 内核之唰，除了完成硬i p 内核 所有的没计外，还完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节。一般以门电路级网 表形式提交用户使用。 i p 的本质特征是可重用性，其通常必然满足以下基本特征：一是通用性好，二 是正确性有1 0 0 的保证，三是可移植性好。通用性好是指l p 的功能在某一应用领 域广泛通用，i p 的实现一般满足子功能可配置、甚至可编程的特点，如最常见的i p 嵌入式c p u 模块就具有非常好的通用性。正确性是指i p 的实现严格遵守一系列的 开发规范，i p 的验证用例具有完备性，甚至能够提供软硬件协同仿真的测试环境等。 正确性有1 0 0 的保证。可移植性好是指i p 的实现如行为描述、网表、具有可移植 性，其设计输入、仿真、测试环境、可以在不同的开发平台卜重现。 目前，i p 核开发需要解决的主要课题有可重用性、易用性和设计标准化等。要 实现i p 的设计与复用，需建立统一的i p 标准和规范，以解决不同来源的i p 在s o c 上的易集成性等问题。在国际上，从事i p 标准化的组织中影响最大的是虚拟插座接 口联盟v s i a ( v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c ea l l i a n c e ) ，它负责 力、调并制订i p 复用所需的 参数、文档等形式化的标准，以及j p 标准接口、测试平台、片内总线等技术性的标 准。虽然这些工作已经丌展了几年，但至今仍有大量问题要解决。例如不同嵌入式 处理器咖议的统一、不同l p 片内结构的统一等f “】【”】【1 9 】。 第一章绪论 1 4 研究内容 本课题的主要工作是以a m b a 总线为例来研究基于s o c 总线的i p 核封装，主 要研究内容和解决的问题如下： 1 、研究i p 核集成技术规范。目前l c 设计者越来越多的采用i p 核技术。在此 推动下，i p 核集成到芯片的技术及片上总线得到迅速发展，反过来它们又对i p 核的 设计、校验、重用及i p 核有关标准的制定也产生了深远的影响。本文将在介绍国际 上目前比较流行的片上总线的基础上，研究探讨i p 核集成技术规范，指出目前i p 核集成技术在集成电路技术中的作用和发展方向。 2 、研究a m b a 总线协议的特点。a m b a 总线作为一种非常流行的片上总线， 其有着其它总线所不具备的优点。本文将在详细介绍a m b a 总线的基础上，介绍在 采用a m b a 总线的s o c 设计中如何把握该总线的特点，缩短i p 核开发和集成时间， 加快设计速度。 3 、研究基于a m b a 总线的1 p 核封装的设计与实现。a p b 总线作为高性能的外 围总线，不仅具有接口简单、功耗低的特点，而且也是家庭网关中挂接外围设备的 主要总线。本文以两个i p 核为实例，介绍如何通过简单有效的封装，快速集成i p 核到芯片中，提出一种挂接外围低速设备到a p b 总线的思路。而对于信号复杂程度 较高的高性能总线a h b ，本文也以自动机理论为基础，提出一种自己i p 核封装的 解决方案。 一 4 、研究基于a m b a 总线的i p 核封装规范。在本课题s o c 设计中，在i p 核开 发过程中目的就是开发的i p 核能够容易集成到a m b a 的总线上，这必然涉及到i p 核封装问题。因而封装规范的提出是必要和可行的，本文在进行封装的研究中概括 提出了自己的封装i p 核标准和规范。 1 5 论文结构 本论文首先从整体上叙述了相关部分工作的要点；然后对集成电路技术中的i p 核集成技术进行了系统研究，并以两个i p 核为实例详细介绍了设计方法及实现方案， 同时在自动机理论的高度探讨封装的可行方法。最后总结所作封装的研究，提出一 套1 p 核封装的标准和规范。 沦文具体安排如下： 第一章，阐述了课题的研究背景及意义。首先介绍了“8 6 3 ”课题中的相关概念 和整体解决方案，介绍了i p 核技术、s o c 等的基本概念和i p 核集成技术的研究动 态，最后对本课题的主要研究内容做出概述。 青岛大学硕士学位论文 第二章，集成电路设计中的i p 核集成技术研究。首先阐述了i p 核接入集成电 路的规范策略，重点对目前国际上比较流行的几种片上总线或者通用总线接口作比 较详细地介绍，并探讨了国内外i p 核集成技术发展的一些思路。 第三章，介绍了a m b a 总线协议组成部分、工作原理等。本章对a m b a 总线 的a h b 和a p b 总线的信号组成、传输类型等内容进行了详细介绍。 第四章，介绍了u a r t 和1 2 c 总线控制器i p 核的特点和性能，并分别对两个i p 核进行封装使它们能够连接到a m b a 总线的a p b 总线上。此外，对于信号复杂程 度较高的高性能总线a h b ，也在自动机理论为基础上以有限状态机的形式进行研究 和探讨，提出一利t 自己i p 核封装的解决方案，最后提出相应的基于a m b a 总线的 i p 封装规范。 晟后第五章对本课题的工作进行了总结，分析了研究中存在的问题，最后对今 后研究工作进行了展望。 第二章i p 核集成技术规范 第二章i p 核集成技术规范 2 1 引言 随着超深亚微米工艺的发展，l c 设计能力与工艺能力极大提高，采用s o c ( s y s t e mo l lc h i p ) 将微处理器、i p 核、存储器及各种接1 2 1 集成在单一芯片上，已成 为目前i c 设计及嵌入式系统发展的趋势和主流。为减少设计风险、缩短设计周期、 更集中于应用实现，设计者越来越多的采用i p 核技术。在此推动下，i p 核集成技术 及片上总线( o n c h i pb u s ) 得到迅速发展，反过来它们又对i p 核的设计、校验、 重用及i p 核有关标准的制定也产生了深远的影n 酽o i 。 本章将从分别详细介绍三种主流总线特性以及三者之间的异同，在重点阐述三 科r 总线的同时，并对其他一些国际上比较流行的l p 核集成技术进行介绍，探讨在 s o c 开发中总线的选择问题及如何解决i p 核与片上系统的连接问题。 2 2l p 核集成的策略 就i p 核集成到s o c 的形式而言，主要有共享总线、点对点的连接及多总线几种 方式，带宽、时延、数据吞吐率及功耗通常是几个需主要考虑的因素，但要求与板 级的互联则不相同【2 。 批享总线方式是通过不同地址的解码来完成不同主、从部件的互联及总线复用， 这对多外设i c 系统设计而言，对地址总线的提出了较高的要求，同时过于复杂的解 码逻辑会增加额外的时延。如果数据主要集中在个主处理器与一个从外醪交换数 据，则其它的外设在此期间需处于空闲或高阻状态，而对于多处理器设训的系统， 其它的数据传输不能同时进行，增加了时延及等待。 通过增加总线的宽度、提高总线的时钟、及采用多总线方案可以解决带宽、时 延问题。但增加总线的宽度，只有外围设备能在一个时钟周期中能全部占有这些总 线时刁有效，否则总线的利用率就不高，而提高总线的时钟也会受到一定的限制， 同时会产生功耗方面的问题。 个有效的办法就是采用多总线方案。多总线的方案有多种实现形式，按不同 速率对总线分段可以减少总线的竞争并且提高总线利用率；可采用独立的读写总线 以进行同时的读写；可提供多个并行的总线，对主、从部件间进行点对点的连接， 以实现一对主、从部件的高速互联；另外还有一些有效的方式，如采用分层总线构 架，采用交换矩阵或互联网络，来实现多个主、从部件的同时互联等等【2 0 】。 多种总线仲裁算法可以被采用。采用循环占用总线，实现最为简单。另外采用 从部件仲裁( s l a v e s i d ea r b i t r a t i o n ) 的方案，在从部件需要数据传送时占有总线，有 青岛大学硕士学位论文 利于提高总线的利用率。对于流水线传送较多的情况，如何保证读写的流水线执行 以减少时延也是总线仲裁考虑的一个重要方面。下面就目前一些互联规范及它们采 用的方案作介绍。 2 3 片上总线( o n - c h ipb u s ) 简介 前文已经提到，s o c 的设计过程中，最具特色的是i p 核技术。由于i p 核的设 计千差万别，l p 核的连接就成为构造s o c 的关键。片上总线( o n c h i pb u s ，o c b ) 是实现s o c 中i p 核连接最常见的技术手段，它以总线方式实现i p 核之间数据通信。 与板上总线不同，片上总线不用驱动底板上的信号和连接器，使用更简单，速度更 快。个片上总线规范一般需要定义各个模块之间初始化、仲裁、请求传输、响应、 发送接收等过程中驱动、时序、策略等关系。 由于片上总线与板上总线应用范围不同，存在着较大的差异，其主要特点如下： 1 ) 片上总线要尽可能简单。首先结构要简单，这样可以占用较少的逻辑单元； 其次时序要简单，以利于提高总线的速度；第三接口要简单，如此可减少与i p 核连 接的复杂度。2 ) 片e 总线有较大的灵活性。由于片上系统应用广泛，不同的应用对 总线的要求各异，因此片上总线具有较大的灵活性。其一，多数片上总线的数据和 地址宽度都可变，如a m b a a h b 支持3 2 位1 2 8 位数据总线宽度；其二，部分片上 总线的互联结构可变，如w i s h b o n e 总线支持点到点、数据流、共享总线和交叉开关 四利一互联方式；其三，部分片上总线的仲裁机制灵活可变，如w i s h b o n e 总线的仲裁 机制可以完全由用j 1 t 定制。3 ) 片上总线要尽可能降低功耗。因此，在实际应用时， 总线上各种信号尽量保持不变，并且多采用单向信号线，降低了功耗，同时也简化 了时序1 】i 。 片上总线有两种实现方案，一是选用国际上公开通用的总线结构；二是