（计算机软件与理论专业论文）嵌入式系统开发平台ip核接口层的研究与设计.pdf

摘要 由于系统级芯片s o c ( s y s t e m o i lac h i p ) 具有高效的集成性能，是替代集成电 路的主要解决方案，已经成为当前微电子芯片发展的必然趋势。s o c 设计规模的不 断增大也使得以i p 核形式实现系统功能成为s o c 设计的主流，因而，如何保证s o c 中各i p 模块通讯的正确进行，如何更方便的集成口核，这些问题都是该领域待解 决的课题。鉴于此，本文在对口核互连进行分析的基础上，针对s o c 总线标准的 i p 核接口的兼容问题，研究和设计了妒核总线接口层的软件封装，并将其作为课题 组提出的基于层次的嵌入式系统开发平台的i p 核接口层予以实现，使上层开发人员 可以根据此规范快速开发出基于该开发平台的i p 核，也使得遵循该接口规范的i p 核在无需了解具体s o c 互连信息的前提下即可实现核内传输机制，从而提高了s o c 设计的可复用性。 本文针对提高i p 核在s o c 上的易集成性，研究了i p 核互连规范及其标准化问 题；分析了i p 核总线接口的设计必要性，给出了i p 核总线接口的设计原理及内部 结构，并将口核总线接口层划分为协议转换模块，块数据传输模块和端口优先级件 裁模块，有利于提高接口的可配置性；分两部分设计了i p 核总线接口，其中包括把 i p 核请求转换成o c b 周期请求的o c b i n i t i a t o r - i n t e r f a c e 模块和把o c b 传送转换成 接口传送的o c b t a r g e t i n t e r f a c e 模块。最后，本文以u s b 2 0 设备控制器i p 核和 a h b 总线为实例实现了口核总线接口，完成了r t l 代码的编写、设计综合及功能 仿真。通过m o d e l s i m 仿真得到的结果满足了预期的需求，表明了该设计方案的可 行性。 关键词：嵌入式系统；开发平台；可复用性：i p 核接口层；u s b 设备控 制器i p 核 a b s t r a c t s i n c ei t sh i g i li n t e g r a t e dp e r f o r m a n c e , s y s t e mo nac h i p ( s o c ) ，i sr e g a r d e da st h em a i n r e p l a c e m e n t o f i n t e g r a t e d c i r c u i t s 。a n d a l r e a d yb e c o m e s i n e v i t a b l e 订e n do f m i c r o e l e c t r o n i cc h i p sd e v e l o p m e n t b e c a u s eo ft h eg r o w i n gs i z eo fs o cd e s i g n , i m p l e m e n t i n gs y s t e mc a p a b i l i t i e si nt h ef o r mo fi pc o r eb e c o m e sp o p u l a r h o w e v e r , h o w t og u a r a n t e et h er u n n i n go fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ti pm o d u l e s ? a n dh o wt o i n t e g r a t ei pc o r em o r ee f f e c i e n t l y ? a l lt h e s ep r o b l e m ss t i l ln e e dt ob es o l v e d s o ，t o w a r d s t h ei pc o r ei n t e r f a c ee o m p a t i b i l i t yo fs o cb u ss t a n d a r d ，t h i st h e s i s ，b a s e do na n a l y z i n g t h ei n t e r c o r m e c t i o no fi pc o r e s ，r e s e a r c h e st h es o t j t 、】v a r e c a p s u l a t i o no fi pc o r eb u s i n t e r f a c el a y e r , a n di m p l e m e n t st h ei pc o r ei n t e r f a c el a y e ro fe m b e d d e ds y s t e m d e v e l o p i n gp l a t f o r mw h i c hi sb a s e do nl a y e r s i n t h i st h e s i s ；t h ed e s i g nm e m o d ，f l o w , a n de n v i r o n m e n to fs o cb a s e do ni p d e m u l t i p l e x i n gi se x p l a i n e d w h i l ei no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e g r a t i o no fi pc o r eo ns o c i n t e r c o r m e c t i o nr u l e so fi pc o r ea n di t ss t a n d a r d i z a t i o na r er e s e a r c h e d a n dt h ed e s i g n n e c e s s a r i t yo fi pc o r eb u si n t e r f a c e i sa n a l y z e d t h ed e s i g np r i n c i p l ea n di n t e r n a l s t r u c t u r eo fi pc o r eb u si n t e r f a c ea r ep r e s e n t e d t h ei pc o r ei n t e r f a c el a y e ri sd i v i d e di n t o s p e c i f i c a t i o nt r a n s f o r m i n g ，b l o c kd a t ap r o c e s s i n ga n dp o r tp r i o r i t ya r b i t r a t i o n t h ei p c o r eb u si n t e r f a c ei sd e s i g n e di nt w op a r t s ，i n c l u d i n go c b i n i t i a t o r - i n t e r f a c em o d u l e ， w h i c ht r a n s f o r m st h ei pc o r er e q u e s ti n t oo c b c y c l er e q u e s t a n do c b - t a r g e t - i n t e r f a c e m o d u l e w h i c ht r a n s f o r m st h eo c b t r a n s p o r t i n gi n t oi n t e r f a c et r a n s p o r t i n g f i n a l l y , w i t l l u s b2 0d e v i c ec o n t r o l l e ri pc o r ea n da h bb u sa si n s t a n c e s ，o c b t a r g e t i n t e r f a c e m o d u l ei si m p l e m e n t e d w r i t i n go fr t lc o d e ，d e s i g n i n ga n de m u l a t i n ga r ec o m p l e t e d t h er e s u l to fm o d u l e s i me m u l a t i n gc o i n c i d e sw i t hd e m a n de x p e c t e d ，t h u sp r o v i n gt h e f e a s i b i l i t yo f t h i sd e s i g n k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p i n gp l a t f o r m ；r e u s a b l e ；i pc o r ei n t e r f a c e l a y e r ；u s be q u i p m e n tc o n t r o l l e ri pc o r e 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他入的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：瞿诗 日期：谚7 钌月即 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密d ( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名： 日期：训7 年岁月f 牛日 日 价产聃 穆 僦 聊 瑚 飙 锕 日 纰 马 隋 晚 撕刁专蛱 门 鸽喃妒l上 刍 撇 第一章引言 1 1 研究目的与意义 第一章引言 系统级芯片的出现在极大满足人们新的要求的同时，也迫使传统a s i c 设计技术 更新发展，原来的设计技术己无法解决s o c 设计过程中产生的设计重用及软硬件协 同设计等问题“m 1 。而支持s o c ( s y s t e m0 1 1a c h i p ) 的嵌入式系统开发平台是用于嵌 入式系统研制的有效手段，利用平台可缩短系统开发周期，提高系统开发效率。 设计重用( d e s i g nr e u s e ) 是实现开发平台这一优势的关键因素之一。设计重用的最终 实现方式是建立包含软硬件模块的资源库“1 ，该库的模块包含各个层次( 物理层和 系统层等) 的描述，各层次功能的封装，使得各层次间相对独立，某一层次的修改， 并不会影响其他层次，例如，当工艺技术进步时。物理层可能被修改，但系统层次 的描述仍然有效m 。 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核是已设计和验证过的、具有一定可定制性的知识产 权模块，s o c 设计中一般使用i p 核来实现设计重用0 1 。i p 核的多样性使得在s o c 设 计时可能会遇到非常高的集成复杂度、接口的同步问题、数据管理问题，以及设 计验证和测试问题、结构和系统级问题。这样必然要求在各i p 核之间存在某种数据 交互协议以及数据交互的通道。如何保证s o c 中各i p 模块通讯的正确进行，如何使 系统性能满足应用的需要，如何更方便的集成i p 核，所有这些问题都是该领域待解 决的课题。为解决这些问题，目前使用片上总线( o c b ) 来实现i p 核的互连9 。 虽然基于某总线标准设计的功能模块对于同一总线具有良好的可重用性，但当 模块应用于不同的总线体系结构时仍需要重新设计。即使使用了功能完善、发展成 熟的i p ，重用过程中仍可能出现接口不匹配的问题，对i p 复用技术的运用仍处于半 自动化的程度”1 。 重用i p 模块时解决使不同来源的i p 兼容各种总线的问题的途径有两种，第一， 建立单一的总线标准。但不同的总线具有各自的特点，适应特定的应用领域，建立 适用于所有领域的单一总线标准具有相当难度。第二，设计能适用于各种总线的i p 核。而i p 核的设计，特别是在接口标准方面，目前还没有一个完全被业界认同的标 准，这给利用i p 核进行设计带来诸多不便。这必然要求提出新的设计方法和设计模 型来解决在基于i p 核的s o c 设计中遇到的问题。 因此，为使这些不同来源的i p 模块一起正常工作，需要对总线规范进一步抽象 化，使i p 核可以简单地集成到总线上。o c b 接口的封装也包括硬件设计和软件设 计。本文主要针对s o c 总线接口的软件封装设计进行了研究。 青岛大学硕士论文 1 2 国内外研究动态分析 实现片内互连机制，具体来说也就是各功能模块问的相互通信问题，包括数据 格式、通信联络、时序、协议等方面“”。在s o c 平台交付给用户进行后续开发时， 互连结构也决定着用户是否能够快速方便地加入自己专用的或第三方i p 模块。对此 国际上提出了许多不同的策略，从根本来说这些策略大多是通过采用合理的片内总 线互连协议或接1 2 1 标准“”实现片内互连。目前市场上出现的各种互连机制大致可 归为两类：一是片上总线协议策略。它继承了传统印制电路板的互连总线结构思想； 二是核中心协议策略“2 ”，它是基于标准i p 核接口思想。 1 2 1 片上总线协议 片上总线是实现s o c 中i p 核互连最常见的技术手段，它通过总线的方式实现系统 部件设备之间的数据通信，是基于i p 复用的s o c 设计的关键技术。随着面向可重用的 基于i p 核互连标准技术的发展，目前较有影响力的三种总线标准为：i b m 公司的 c o r e c o n n e e t ，a r m 公司的a m b a 和s i l i e o r e 公司的w i s h b o n e n q 【l ”。 a m b a 总线标准a m b a 是目前业界广泛使用的片上总线标准。a m b a 规范定 义了分别在不同情况下使用的三种总线“：先进系统总线( a h b ) ，它的主要目的 就是连接高性能、高吞吐率的设备，例如c p u 、d m a 和d s p 等。通用系统总线( a s p ) ， 是一种连接微处理器和系统外设的高性能互连总线。外围互连总线( a p b ) ，主要 特点是功耗较低且易于使用。a h b 和a s p 是高速总线，主要提供处理器与其它设 计中的高带宽模块之间的接1 ：3 。这种总线常使用流水外围互联总线技术，支持几种 不同的传输方式，以便尽可能地利用带宽。a p b 是专为低速外设和处理器很少访问 的外设提供的一种低速总线。通过降低a p b 总线上的时钟速率，可以大幅度的减少 总线和相应外设产生的功耗。 c o r e c o n n e c t 总线标准i b m 的c o r e c o n n e c t 总线，在概念上类似于a m b a 。 c o r e c o n n e c t 总线提供了三种基本类型的连接功能块，即处理器局部总线( p l b ) 、 片上外设总线( o p b ) 和设备控制寄存器( d c r ) “”。o p b 总线主要用来连接外部 设备；p l b 总线用于连接处理器、外部高速缓存和高速存储器，是解决处理器运算 瓶颈的总线；d c r 总线将所有连接在p l b 上的模块通过雏菊链的方式进行互连配置， 通过它来分配配置信息，从而减少数据对o p b 和p l b 总线的带宽占用：o p b 桥主要 是实现p l b 总线和o p b 总线的互联。因为p l b 和o p b 的性能存在差异，所以设计中 o p b 桥在o p b 总线端相当于一个主o p b 设备，而在p l b 总线端则相当于一个从p l b 设备。这样当从p l b 设备发出信号时，主o p b 设备就根据它的可接收情况进行分拆、 重发等。 2 第一章引言 w i s h b o n e 总线标准w i s h b o n e 总线是s i l i c o r e 公司制定的片上总线协议。它的结构 简单灵活，完全公开和免费，获得了众多支持。w i s h b o n e 的逻辑结构是三种总线结 构中最简单的一种，而且它只定义了一种总线结构高速总线。如果一个系统既 需要高速总线，也需要低速外部设备总线，则可以采用两个不同的w i s h b o n e s 口。 w i s h b o n e 的用户可以根据具体情况对协议标准进行扩展和详细设计，以定义数据顺 序和标签的意义。此外，用户还可以自行添加其它特性和函数。从这个意义上说， w i s h b o n e 更像是给出了一个框架，等待用户提出具体的实现方法“”。 从上面的介绍可以看到，这三种总线都采用完全同步的方式，在时钟信号上升 沿进行数据驱动或采样，很好地贯彻了可重用设计思想。而且，它们在总线操作方 式上也基本相同。三种总线最明显的不同之处在于它们具体的性能参数、提供协议 的完整性以及对协议应用的严格性“”。 此外，片上总线的使用问题也很重要。虽然这三种总线都声明免费，但 c o r e c o n n e c t 和a m b a 都要求用户注册。更重要的是，虽然这两种总线是免费的，但 是连接这些总线的i p 不是免费的。相反，w i s h b o n e 贝l j 是绝对免费，开放知识产权模 块组织( o p e n c o r e s ) 已将w i s h b o n e 作为自己开发s o c 系统采用的总线结构。 总之，由于i b m 本身存在技术优势和巨大的影响力，可以预见即使不被广泛接 受，c o r e c o n n e c t 也能在业界长期存在。而由于a r m 的大力推广和a m b a 自身的技术 特性，这种总线协议将会在大多数应用领域被更多的设计者采用。同时，由于 o p e n c o r e s 组织的大力支持，w i s h b o n e 总线也将在比较长的时间内，在自由设计者 和中小型e d a 企业中占据主导地位。 1 2 1i p 核接口标准 重用i p 模块时必须要解决的是使不同来源的i p 兼容各种总线。最理想化的情 况是，所有的s o c 都采用同一种片上互连标准，所有的i p 供应商提供的i p 都采用 这种互连的接口协议，这样系统集成的工作就变成简单的i p 互连。但是不同的总线 具有各自的特点，适应特定的应用领域，所以不可能建立单一的总线标准。为使这 些不同来源的i p 模块一起正常工作，需要对总线规范进一步抽象化，使i p 核可以 简单地集成到总线上。 为了解决i p 核在s o c 上不易集成的问题，1 9 9 6 年起专门从事i p 标准化和m 交易的组织相继出现，这些组织分布于世界各地，其目的是促进i p 核的发展，探讨 s o c 设计方法学，加速s o c 设计的发展。这些组织按照箕性质可以分为两类：一是 制定i p 标准和规范的组织；二是从事i p 电子商务的组织。其中影响较大的是v s i a ( 虚拟插座接口联盟) 及开放核协议国际同盟o c p i p 伽1 胁尬1 。 v s i a 成立于1 9 9 6 年9 月，其目的是为系统芯片工业建立统一的技术规范和标 青岛大学硕士论文 准，这些规范和标准可以做到使不同来源的i p 能够方便地进行集成并相匹配。v s i a 曾试图建立一种标准的片上互连方案，但由于实际中设计需求各不相同，同时现有 的片上互连标准种类繁多，因此很快放弃并转而进行i p 接口规范化的努力。 到目前为止，v s i a 已发布的标准规范文档共计1 9 个，这些规范和标准内容覆 盖i p 设计、接口、质量、保护、设计平台等环节。经过几年的发展v s i a 制定了新 的工作目标，由于s o c 的问题已不再单纯是硬件复用的问题，v s i a 成立了新的工 作组以适应s o c 发展的需要。 v s i a 最初集中于为硬件复用制定规范，标准，随着s o c 应用领域的不断扩大，嵌 入式软件的复用已经提到议事日程上，许多s o c 领域的大公司( a r m ，n o k i a ，p h i l i p s ， m o t o r o l i a ) 呼吁v s i a 应该介入嵌入式系统和软件的工作领域，从而完全覆盖s o c 的 设计。v s i a 于2 0 0 1 年6 月重新定义了其使命，即通过制定开放的标准和规范便于不 同来源的软件和硬件i p 进行集成以改善s o c 开发的效率”。 依靠硬件的软件工作组的目标是通过定义一个应用程序员接口a i p ，来改善公司 内部或公司问嵌入式软件的复用及在s o c 中与硬件协同工作的能力o o ( 2 4 a 工作组目 前已经形成嵌入式软件分类和术语草案文件，分类的目的是定义技术术语和结构以 便于解释嵌入式软件的功能和建立复用标准。工作组的最终目的是为嵌入式软件的 复用制定规范和标准m ，。 开放芯核协议国际伙伴o c p i p 成立于2 0 0 1 年1 2 月，是一个非盈利性的组织，最 初的成员有s o n i c s 公司、n o k i a 、t e x a si n s t n t m e n t s 、m i p st e c h n o l o g i e s 、u n i t e d m i c r o e l e c t r o n i c sc o r p o r a t i o n ，以s o n i c s 公司的o c p 接口规范为基础，目的是为即插即 用的s o c 设计提供_ 套完整的通用标准i p 插座接口，把o c p 发展成接口插座标准。截 至2 0 0 4 年1 1 月，o c p i p 组织的成员迅速发展到1 0 2 家，有6 个工作组，覆盖市场、规 范、系统级、存储器语义及验证等方面。2 0 0 2 年，o c p 发布了o p e n c o r ep r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n1 ，0 ，2 0 0 3 年末发布了其2 0 版本。o c p i p 为其成员提供了一个个e d a 工 具c o r e c r e a t o r t m ，该工具可自动完成建立，模拟、验证和包装与o c p 一致的芯核。 o c p 规范与v s i a 联盟的v c i ( v i r t u a lc o m p o n e n ti n t e r f a c e ) 接口标准有定的类似 性，o c p 是v c i 的功能超集，加入了可配置的边带控制信号和测试信号，通过流水 线式的请求一响应获得更高的数据传输性能o “。目前已有s o c 设计公司在商用产品 开发上应用o c p ，例如m i p s 公司的内存控制器( m e m o r yc o n t r o l l e r ) 。o c p 接口在实 用性和性能方面都表现出了优势。国内对于o c p 的研究还比较少，处于探索的阶段。 1 3 主要研究内容 本文主要研究针对s o c 总线标准的i p 核接口的兼容问题，为了实现设计重用而研 究和实现t i p 核总线接口的软件封装，提出了适用于嵌入式系统开发平台的i p 核开 4 第一章引言 发规范，基于不同的总线标准对上层i p 应用层提供了有效的支持。具体研究内容如 下： 1 研究了基于层次的平台设计方法，把碑核接口层作为嵌入式系统开发平台层 次模型中一个层次予以实现，满足了平台设计的要求，即隐藏低一层的实现细节， 并为上一层提供服务。 2 研究了基于i p 复用技术的s o c 的设计方法、流程和环境，对常见的i p 核互 连机制进行了深入分析，并针对提高i p 核在s o c 上的易集成性，研究了i p 核互连 规范及其标准化问题。 3 将i p 核总线接口层划分为协议转换模块，块数据传输模块和端口优先级仲裁 模块，并分把i p 核请求转换成o c b 周期请求的o c b i n i t i a t o r - i n t e r f a c e 和把o c b 传 送转换成接口传送的o c b t a r g e t - i n t e r f a c e 两个模块详细介绍了i p 核总线接口的设 计。 4 以u s b 2 0 设备控制器i p 核和a h b 总线为实例实现了o c b t a r g e t - i n t e r f a c e 模块，完成了r t l 代码的编写、设计综合及功能仿真，结果验证了总线接口设计的 可行性。 5 分析了1 p 核总线接口的可配置性。概括了实现i p 核总线接口的可配置性应 采取两种方式：一是通过配置寄存器进行动态配置，这种方式可以在将来的硬件产 品应用中通过软件进行配置：二是通过配置文件进行静态配置，这种方式是在芯片 设计过程中由硬件设计人员进行配置。 1 4 论文结构 本文首先从整体上叙述了相关部分工作的要点，对s o c 设计中总线标准和口 核技术进行了系统研究；然后分协议转换，块数据传输和端口优先级仲裁三个模块 对i p 核总线接口层进行了设计，并着重介绍了。最为重要的协议转换模块；最后以 u s b 2 0 设备控制器i p 核总线接口的设计为实例详细介绍了i p 核总线接口的实现方 案。 论文具体安排如下： 第一章，阐述了课题的研究背景及意义，介绍了i p 核互联机制相关的研究动态， 其中包括目前常用的s o c 总线规范和正在不断推广的i p 核接口规范，最后对本课题 的主要研究内容做出概述。 第二章，s o c 设计中总线标准和i p 核技术的研究。介绍了嵌入式系统所涉及的 几点要素，包括片上系统，基于平台的设计以及各常用的总线标准，并详细介绍了 实例中用到的a m b a 总线标准，它也是应用最为广泛的i p 核互连解决方案；从i p 青岛大学硕士论文 开发和集成两个方面入手，重点阐述了i p 的基本特征，设计流程及关键技术；最后 介绍了伊核的标准化研究。 第三章，介绍了i p 核总线接口的设计原理及内部结构，把i p 核总线接口划分 为分协议转换，块数据传输和端口优先级仲裁三个模块，并分两部分给出了总线接 1 3 各模块的设计方案，其中包括把i p 核请求转换成o c b 周期请求的 o c b i n i t i a t o r - i n t e r f a c e 模块和把o c b 传送转换成接口传送的o c b t a r g e t - i n t e r f a c e 模块。 第四章，以u s b 设备控制器的a m b a 总线接口为实例验证了i p 核总线接口的 设计并给出了试验结果。 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。 6 第二章s o c 设计中总线标准核礤核技术研究 第二章s o c 设计中总线标准和i p 核技术研究 系统级芯片s o c 已经成为i c 业界的焦点，随着芯片性能不断增强，设计规模 日益增大，也导致开发周期越来越长，设计质量越来越难于控制，芯片设计成本也 趋于高昂。口复用技术有效地支持了当前的设计需要，成为s o c 设计的主流方法。 本章首先介绍了嵌入式系统所涉及的几点要素，包括片上系统，基于平台的设 计，并简单介绍了课题组提出的基于层次模型的嵌入式开发平台的整体解决方案： 然后介绍了s o c 设计中常用的总线标准并详细分析了目前应用最广泛的a m b a 总 线；最后从i p 开发和集成两个方面入手，重点阐述了i p 的基本特征，i p 的设计流 程及设计中的关键技术，i p 集成的一般考虑及集成的关键技术，i p 模块的评估与选 择等，最后探讨了国内外i p 技术标准化的进程。 2 1s o c 随着微电子技术的迅猛发展，集成电路芯片的集成度越来越高，从而可以将原 先由许多i c 组成的电子系统集成在一块芯片上，构成所谓系统级芯片( 简称s o c ) 。 s o c 也称为片上系统，通常定义为在单一芯片上实现的数字计算机系统，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 ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ，知识产权) 特定逻辑电路。s o c 应至少负责终端系统主要功能的一部份， 但仍然可以与其它微处理器搭配使用，或者夕 2 1 d r a m 或模拟混合信号元件等其他 元件。 s o c 使用i p 的目的是增加复用，但模块的复用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 设计方法和可重构硬件技术。i p 核将主要应用 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 开发平台可分 为很少进行变动的最小基本平台部分以及为了完成系列产品而增加模块的变动部 分。 s o c 开发平台又可分为软件及硬件部分。硬件部分包括c p u 、b u s 、r o m 依a m 、 i op r o t 等计算机系统的基本部件；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。 s o c 设计技术的运用和推广大大地降低了整个系统的开发费用，同时在原有芯 片的基础上增加更多功能，提高产品性能。尤其在消费类电子产品中，s o c 大大缩 短了产品面市时问( t t m ，t i m e t o m a r k e t ) 。因此，s o c 将足集成电路产业未来总的 发展趋势。 青岛大学硕士论文 2 2 嵌入式系统开发平台 引入嵌入式系统开发平台的目的是最大限度地进行资源复用。由于资源的多样 性，使得嵌入式系统开发平台的组成与结构、复杂程度等不尽相同。最简单的嵌入 式系统开发平台包括c p u 、内存及串口，如单片机开发装置。最理想的嵌入式系统 开发平台其软件以外的硬件系统都是以i p 的形式存在啪“。 国内外现行的嵌入式系统开发平台大都介于最简单与最理想的平台之间。国外 在嵌入式系统开发平台技术的竞争中，t i 公司的o m a p 、飞利滴公司的n e x p e r i a 及x i l i n x 公司的v e r t e x 已显现了其优势”。其中n e x p e r i a 面向消费类电子与移动通 讯，o m a p 主要面向无线通讯。t i 在1 9 9 8 年就推出了可扩展的开放式o m a p 处理 器平台，被业界称为无线世界发展的里程碑。o m a p 平台提供了语音、数据和多媒 体所需的带宽和功能，可以极低的功耗为高端2 5 g 和3 g 无线设备提供最高的性能。 o m a p 处理器支持所有类似的高级操作系统，无需任何新的编程技能便可提供无缝 访问其高性能d s p 算法的驻力。t i 因拥有能满足一体化语音及数据产品需求能力而 在无线业遥遥领先，在提供全球范围的技术支持的同时，还提供了可降低系统成本 的高度集成的解决方案。 本课题组研究并设计的嵌入式系统开发平台提出嵌入式系统开发平台的层次结 构模型，采用基于层次的平台设计方法进行嵌入式系统开发平台的体系结构模型设， 并给出平台各层的相关规范，建立起相关行业嵌入式系统开发平台的参照模型。 关于基于层次的平台设计是以在设计流程中所有关键节点上对平台层次的定义 和划分为基础的，平台中的一个层次代表系统设计流程中的某组关键步骤，是所涉 及到的后续设计步骤的一种抽象。 一个平台是由从低层到高层的多个层次构成的，各层实现该开发平台的部分功 能，同时又为高层提供所需的服务。用( n ) 层表示某一特定的平台层， ( n + 1 ) 层表示( n ) 层相邻的上一平台层，而( n 一1 ) 层表示( n ) 层相邻的下一平台层。 各平台层最终以层次实例的形式来实现本层功能，在分层结构中，( n ) 层实例被 定义为能够实现( n ) 层部分功能的一个特定模块。显然在分层结构中，( n ) 层可 以具有一个( n ) 层实例( 如提供专用功能的i p 核) ，也可能由多个( n ) 层实例 的集合来完成本层功能( 如由多个软件模块共同完成某种系统服务) 。在( n ) 层 中详细地定义了该层所提供的服务，把分层结构中( n ) 层实例通过该层与上一层 边界上的接口向( n + 1 ) 层实例提供( n ) 层及其下位层处理能力的功能称为( n ) 层服务。当( n + 1 ) 层实例要实现某种功能时，只需通过该层与( n ) 层之间的接口， 调用( n ) 层服务。这种调用与( n ) 层服务是怎样实现的无关，而且根本不需要考 虑其它下位层的情况，这一点正反映了分层结构的独立性。相邻平台层之间存在接 第二章s o c 设计中总线标准核i p 核技术研究 口，接口是开发平台分层结构中的重要组成部分，由它完成低层向高层的服务提供。 基于上述设计思想，将嵌入式系统开发平台层次结构划分为物理层、硬件抽象层、 核心层、系统功能层j 工具层、i p 接口层以及口应用层。 物理实现层位于体系结构7 层模型的底层，是嵌入式系统开发平台的硬件基础。 通常将嵌入式系统中硬件资源的集合看作一个物理层实例。该层实例不是对若干已 经开发出来的独立模块的组装，而是由特定系列的体系结构元素演化而来，其目的 是解决某类特殊的应用，并为开发者提供进行修改的能力。系列中的元素实际上是 种能够适应多种应用场合的“硬件”的另一种命名方法，其中的每个元素都可通 过改变控制其结构的相应参数而迅速得到。对最终所选择的物理层实例进行包括掩 膜在内的标准制造，即可迅速地构造嵌入式系统的硬件环境，从而满足了节省设计 时间的需求。 硬件抽象层为下层物理实现层平台的设计提供设计需求和规范，对上实现对底 层物理功能部件的逻辑封装，并提供访问这些功能部件的操作接口。硬件抽象层的 功能是实现对底层物理功能部件的逻辑封装，并提供访问这些功能部件的操作接口； 为物理层平台的设计提供设计需求和规范并实现从逻辑功能到物理操作的转换。硬 件抽象层的设计，屏蔽了物理层实例的结构差异性，有利于实现嵌入式系统的软硬 件协同设计并缩短开发周期。 核心层和系统功能层这两个层次利用硬件抽象层提供的接口对各种物理器件进 行统一的结构化管理，并对上层软件资源的运行环境及运行时机进行配置和管理， 从而使得在硬件基础之上的软件资源能够以最优化的方式完成相应的功能。在本课 题所要实现的嵌入式系统开发平台中对这两个层次采用客户服务的功能模式进行 设计，即由核心层完成任务调度和通信、内存管理等基本功能，而把许多其它功能 作为服务实现为系统任务或进程，采用模块化的方式进行组织并由系统层进行统一 管理。将上层应用提供的各种计算资源作为客户任务，它们通过系统层提供的系统 调用接口发出请求，由相应的系统服务响应请求，而核心层则对这些请求和响应进 行必要的同步和调度。 工具层主要为嵌入式软件设计人员提供程序设计接口以及编程工具，包括：嵌 入式应用基础类库、嵌入式交叉开发套件以及引导开发工具等。工具层面向二次开 发用户和应用服务开发人员，用以简化嵌入式软件的开发 i p 核接口层完成了可兼容各种片上总线规范的i p 核总线接口的设计，实现了i p 应用层的复用设计同时屏蔽各种o c b 通信协议的不匹配。碑接1 3 层的设计是为了 解决不同来源的i p 核在嵌入式系统开发平台中的快速集成，该层通过对i p 核与总 线的接口进行抽象和封装来达到缩短i p 核的设计周期和提高i p 核复用率的目的。i p 接1 3 层的主要功能有；第一，定义了i p 核进行系统集成的接口规范，使开发人员可 9 青岛大学硕士论文 以根据此规范快速开发出基于该开发平台的i p 核；第二，实现了i p 核在总线上的 挂载接口，使得遵循接口规范开发的i p 核在无需了解具体s o c 互连信息的前提- f e p 可实现核内传输机制。 i p 应用层直接面向用户并为用户提供其所需功能服务的平台层次，该层实例是 为了完成某特定应用( 如y o 任务、计算任务以及通信任务等) 而选择的全部i p 核 组成的集合。 2 3 总线标准 2 3 1 总线技术综述 在片上总线问世之前，总线主要是指板级的系统总线和处理器的内部总线。板 级总线技术的关键问题是如何在正确协调各功能单元的前提下，更少的占用p c b 板 的面积。在s o c 中，信号的走线仅会影响晶圆面积，而不会影响封装大小及p c b 板上 的连接关系。另外，在做静态时序分析时，工具对三态总线的处理并不理想，而且 许多芯片级的设计约束和折中技术都与板级的约束折中方法不同，因此p c b 板上的 总线设计技术己无法满足片上总线的设计要求。s o c 的特点要求设计出新的更优化 的总线结构，关键的技术要求是，性能高、设计时间短、便于使用、功耗低。 传统的c p u 和d s p 本身也具有复杂的、独特的处理器内部总线结构，但是它们 缺乏相互直接集成的能力，更没有集成i p 核的接口标准。而s o c 的设计技术要求其总 线结构应该可以连接不同的i p 核。只要符合总线协议的i p 核都可以集成到系统中， 都可以被s o c 设计者采用，所有具有符合总线规范的接口的i p 核都可以直接挂在该总 线结构上，1 p 核之间的通信都通过总线结构完成，不存在i p 核与i p 核之间的信号匹 配问题，即实现真正意义上的i p 核“即插即用”。 。 在s o c 设计技术中i p 核的可复用性在s o c 设计中越来越重要，而i p 的可复用性取 决于两点：( 1 ) i p 模块本身的可复用性；( 2 ) 系统对不同i p 核的可接纳性，即总线结 构对不同接口i p 的兼容性。所以s o c 中的总线结构既要为s o c 系统的性能服务，又必 须满足i p 口- j 复用技术的需求“”。为满足这些要求，总线结构必须对大量的i p 具有很 好的兼容性，在这种总线结构上进行s o c 设计才是真正意义上的基于平台的设计技 术。 2 3 2 片上总线结构介绍 s o c 总线从用途上可以分为系统总线( s y s t e mb u s )# t , 蛾( p e r i p h e r a l sb u s ) 两部分，总线上挂接的设备分为主设备( m a s t e rd e v i c e ) 和从设备( s l a v ed e v i c e ) ， 其中主设备能够主动地申请总线。发起总线操作，而从设备只能被动的应答总线操 i o 第二章s o c 设计中总线标准核i p 核技术研究 作。系统总线和外围总线之间通过桥接电路( b r i d g e ) 连接。从连接方式上s o c 总线主 要分为共享总线( s h a r e db u s ) 和点对点总线( p o i n t t op o i n t ) ，后者也称为s w i t c h 结构。 共享总线是指系统中只有一组数据通路，所有的设备都使用它来进行访问操作，同 一时刻只能有一对设备占有总线进行通信。这就使得总线成为系统中的关键资源， 需要用仲裁器来控制总线的使用权。在s w i t c h 结构中，任意两个设备间都存在一组 数据通路，同一时刻允许多对设备进行通信“”。 表2 1 列出了常见的三种总线的特征。 表2 1 三种总线特性比较 通过对以上各种总线的分析可以看出，片上总线一般都具有以下特点： 1 采用主从式结构，并且都支持多个单元。 2 片上总线应尽可能简单，以占用较少的逻辑资源。总线的时序本身要简单， 便于使用者学习和接受，这样i p 核的设计者就可以把主要精力集中在i p 本身功能的 设计上。 3 为了降低功耗，各种信号一般都尽可能保持不变，并且多采用单向信号线， 这样也利于结构的简化以及时钟的同步。上述总线都把输入数据线和输出数据线分 开，并且都没有信号线复用的现象。 4 在批量数据交易时一般都采用流水线方式，即当前的地址与上一次的数据交 叠在一起，从而实现一个时钟周期传送一次数据。这样就可以实现一个时钟周期完 成一次数据交易。 5 支持可变宽度的地址和数据线。一般的片上总线都至少支持6 4 位的数据宽度， 这些地址和数据线的宽度都是可以改变的。这样增加了片上总线的应用范围。 青岛大学硕士论文 2 3 3a m b a a h b “” a m b a ( a d v a n c e 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 ) 是a r m 公司开发的片上总 线标准，不仅被用于a r m 的系统中，在其它系统中也得到广泛应用。 a m b a 总线是一个多总线系统，a m b a 2 0 于1 9 9 9 年发布，规范定义了三种可 以组合使用的不同类型的总线：a h b ( a d v a n c e dh i g h - p e r f o r m a n c eb u s ) 系统总线、 a s b ( a d v a n c e ds y s t e mb u s ) 、a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 外围总线。a h b 是 a m b a 中的高速总线部分，一般实现处理器与高速设备之间的通信，使用于高性能、 高时钟频率系统。 。 2 ，3 3 1a h b 总线结构 a h b 总线结构简图如图2 1 ，其主要的组成部分及其作用如下： 图2 1a h b 模型整体结构图 总线主设备( m a s t e r ) 是系统中发起数据传输的设备，可以初始化读和写。只有 主设备允许在任意时刻使用总线。a h b 可以有一个或多个主设备，主设备可以是 r i s c 处理器、d s p 以及d m a 控制器等可以启动和控制总线操作的部分。主设备在 功能上可以分为两部分：主设备功能部分和a h b 接口逻辑部分。 总线