（信号与信息处理专业论文）可重用设计方法在sopc系统设计中的研究与实现.pdf

中文摘要 摘要 可重用设计方法源于s o c ( s y s t e mo i lc h i p 片上系统) 的设计，是设计者对大规 模复杂芯片设计方法的总结和归纳，即使用以前设计完成且已经过验证的知识产 权核( i p ) 构建系统芯片的设计方法，是一种有效的设计方法与先进的设计理念。 近年来，随着可编程器件技术的进步，可编程逻辑阵列f p g a 逻辑容量不断 提高而价格在不断的降低，在f p g a 上实现s o c 即s o p c 技术已成为了一种发展 趋势。s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 是一种灵活、高效的s o c 解决方案。首 先它是片上系统( s o c ) ，由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次它是可编 程系统，具有灵活的设计方式，可裁减，可扩充，可升级，并具有软硬件体系可 编程的功能。 本文将可重用设计方法与s o p c 技术相结合，将传统的停留在板级设计层面的 嵌入式系统硬件设计提升到基于可编程逻辑芯片上的系统级设计，并将可重用设 计方法从s o c 领域延伸到s o p c 领域，在s o p c 系统平台上将可重用设计方法扩展 为四个方面：分别是可重构硬件平台、可重配置系统平台、p 核复用与口核设计、 原型算法可重用设计与验证。论文对可重用设计方法的四个方面进行了阐述，并 重点研究了基于e d a 设计环境的原型算法可重用设计与验证，从系统级层次进行 算法可重用的设计，并在s o p c 平台上以语音波形编码算法为应用实例，实现了算 法的可重用设计、验证，最后建立了一个算法可重用设计的教学演示平台，通过 对算法模块升级及快速设计可使系统平台支持多种波形编码功能，实现了算法的 可重用性和系统平台的可重构。 关键词：可重用设计方法；s o p c , 电子系统级设计( e s l ) ；a d p c m ；d s pb u i l d e r 分类号： a b s t r a c t ： a bs t r a c t t h er e u s em e t h o d o l o g yf r o mt h es o c ( s y s t e mo nc h i p ) d e s i g n sa n di ti sa s u m m a r yd u r i n gt h eh u g ec o m p l i c a t e dc h i pd e s i g n sb yt h ed e s i g n e r t h eu s eo f p r e - d e s i g n e da n dp r e - v e r i f i e di pc o r e st oc o n s t r u c ta n dr e a l i z es y s t e mc h i pd e s i g n si sa e f f e c t i v ed e s i g nm e t h o d o l o g ya n daa d v a n c e di d e a w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fp r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ，as i n g l ec h i p f p g ai sa v a i l a b l et oc o n t a i ns e v e r a lm i l l i o n st r a n s i s t o r ss oi m p l e m e n ts o c ( s y s t e mo n c h i p ) o nf p g aw h i c hi sc a l l e ds o p c ( s y s t e r no np r o g r a m a b l ec h i p ) b e c o m e sai n d u s t r y t r e n d s o p ci saf l e x i b l ea n de f f i c i e n ts o cs o l u t i o n f i r s t l yi ti sas o c ，as i n g l ec h i p c o n t a i nt h em a i ns y s t e mf u n c t i o n s s e c o n d l y , s o p ci sap r o g r a m m a b l es y s t e mw h i c h h a st h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o wc o s t , h ig hp e r f o r m a n c e ，f l e x i b i l i t yi nd e s i g n i n g , c o n f i g u r a b l ef u n c t i o nm o d u l e s ，s o f l j h a r d w a r er e c o n f i g u r a b l ea n ds oo n u s et h er e v o l u t i o n a r ys o p ct e c h n o l o g ya n dg u i d e db yr e u s em e t h o d o l o g y , t h i s t h e s i sa t t e m p t st oa p p l yr e u s em e t h o d o l o g yt ot h ed e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mb a s e do n p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e m e a n w h i l e ，t h i st h e s i sc h a n g e s t h ef o c u so fs y s t e md e s i g n f r o mt h eb o a r d - l e v e lt ot h ec h i p l e v e l t h i st h e s i se x p a n dt h er e u s em e t h o d o l o g yi n s o p cd o m a i n ，a n ds u mu pf o u ra s p e c t si ns o p ct e c h n o l o g y ：t h er e r e c o n s t r u c t i o nb a s e o nt h eh a r d w a r e ；r e - c o n f i g u r a t i o nb a s eo nt h ew e bt e c h o n l o g y ；t h ei pd e s i g na n di p r e u s e ；t h ea l g o r i t h mr e u s ed e s i g nb a s eo ne d ad e s i g ne n v i r o n m e n t t h i st h e s i ss u c c e s s f u l l yr e a l i z eaa u d i oc o d e cs y s t e mp l a t f o r mg u i d e db ya l g o r i t h m r e u s em e t h o d o l o g ya n de s ls y s t e md e s i g n ，t h i sp l a t f o r mc a ns u p p o r ts e v e r a lk i n d s s p e e c hc o d i n gb yc h a n g e i n gt h ea l g o r i t h mm o d u l ew h i c hp r o v e t h ea d v a n t a g e so fs o p c t e c h n o l o g y 一一s o f t h a r d w a r er e c o n f i g u r a b l ea n dp l a t f o r mr e u s e - a b l e k e y w o r d s ：r e u s em e t h o d o l o g y ；s o p c ；e s l ；a d p c m ；d s pb u i l d e r c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 7 荔色 签字日期：劲矿? 年月，口日 刷噬轹了叫 签字日期：沙囝年月，s 日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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：) ，乏红签字日期：w 留年歹月，口e l 7 5 致谢 在论文完成之际，谨向关心我、帮助我、鼓励我的师长、同学、朋友和亲人 表示我最衷心的感谢! 本论文的工作是在我的导师丁晓明副教授的悉心指导下完成的，丁老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来丁 晓明老师对我的关心和指导。 丁老师不仅悉心指导我完成了实验室的科研工作，而且在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，再次向丁晓明老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，师兄沈超、沈阳，同学洪诚等人对我论文中 的研究方法以及研究工作给予了热情的指导和帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 另外也感谢家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 生k 。 1 1 1 概述 1 1 可重用设计方法 1 1 1 可重用设计方法定义 1 概述 2 0 世纪7 0 年代以来，微电子技术飞速发展，集成电路设计和工艺水平有了很 大提高。如今人类已经可以设计并制造出包含上亿个晶体管的超大规模集成电路， 集成在单个芯片上的功能也在不断增加。从而使得以往由许多芯片组成的电子系 统集成在一个单片硅片成为可能，构成所谓的片上系统( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 。 与普通的集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 相比，s o c 不再是一种功能单一的单元电 路，而是将大规模的数字逻辑和嵌入式处理器整合在单个芯片上，集合模拟部件， 形成模数混合、软硬件结合的完整的控制和处理片上系统。因此，当今电子系统 设计已不再是利用各种通用集成电路实现板上系统( s y s t e m o n b o a r d ，s o b ) ，即印 刷电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) 级的设计和调试，而是转向以专用集成电路 ( 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 ，a s i c ) 或大规模现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 以及复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ，c p l d ) 为物理载体的系统芯片设计，前者称为s o c ，后者称为可编 程片上系统( s y s t e m o n p r o g r a m m a b l e c h i p ，s o p c ) 。 随着芯片制造工艺的变化，芯片的设计方法也发生了巨大的改变。传统的方法 是自下而上先写出所有模块的r t l ( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ，寄存器传输级) 编码， 再将这些模块集成到一个共同的顶层设计下，最后再进行综合。这种方法对于复 杂芯片的设计已经不再适用，也满足不了快速变化的市场的需求。现在复杂芯片 设计的有效方法就是可重用设计，即使用以前设计的核以及经过验证的核进行设 计f l 】o 1 1 2 可重用设计方法理念 随着嵌入式技术的不断完善与发展，现在的嵌入式系统设计已经不再像早期那 样，只要完成某个特定的功能就可以。越来越多的s o c 芯片对系统性能稳定性、 可靠性有了越来越高的要求，s o c 设计的焦点已经不再是某个新功能的设计和实 现，而是如何去评估验证和集成多个已存在的软硬件模块。可重用设计方法已经 北京交通大学硕士学位论文 成为设计巨大容量芯片的必选方法，因为只有使用这种方法，我们才能在芯片设 计过程中有效得控制设计费用、缩短设计周期、提高设计质量。从s o c 的设计和 实践中，人们认识到设计方法的革命就是要完成一个转变，以功能设计为基础的 传统流程转变为以功能组装为基础的全新流程。 1 1 3 可重用设计方法规范 可重用设计方法是基于知识产权核的，适用于设计可重用核或者集成可重用核 的设计。知识产权核是经过预先设计、预先验证，符合产业界普遍认同的设计规 范和设计标准，具有相对独立功能的电路模块或子系统，可重用于s o c 、s o p c 设 计中。 在可重用设计方法中最关键的技术就是口核的设计与验证。可重用设计在大 大提高电子系统设计效率的同时，也提出了对p 核设计中代码、接口、验证、配 置等方面的更高要求。 可重用设计方法学中对于d 核设计及能够所研究的内容大体包括【1 1 ： 面向一般性问题设计 这就是意味口核必须很容易进行配置，以适用不同的应用。 面向多种工艺设计 对于口软核，它必须能够面向不同的工艺库进行综合，从而产生令用户满意 的结果。 面向多种模拟器的设计 对于好的可重用设计而言，既要有v e r i l o g 代码版本，又有v h d l 代码版本， 能有各种版本的验证和测试向量，而且能够运行在多个主流商用模拟器上。 面向标准的接口设计 i p 核设计要基于标准的接口，只有在没有标准可遵循的时候才设计一些特殊、 定制的接口。 提供独立的验证 可重用口核在集成到芯片之前必须经过全面、独立的测试和验证，需要保持 很高的测试覆盖率。 验证要达到高度可信 可重用核需要进行极其严格的验证，甚至要建立一个物理原型并附加特定 软件进行测试。 对于核的应用和限制必须给予全面说明 任何配置中的限制和参数选取，需要清楚地说明，特别是配置方法、参数意 2 概述 义和可重用核接口要求及限制必须详细说明。 系统设计的第一步通常是创建系统的设计规范，包括开发、验证、细化等一整 套的设计规范，甚至可以详细到可以开始r t l 编码。快速完成一套清晰、全面、 一致的设计规范是个非常困难的问题，而一个成功的设计中，设计规范阶段是最 关键、最具有挑战性和最耗时的阶段。 当前，有两种主要技术有助于描述软件、硬件规范，可使软、硬件更具有鲁棒 性和可用性，它们是形式化规范和可执行规范【z 】。 形式化规范：在形式化规范中，设计的特征被一种与任何实现都不相关的形 式定义下来。一旦设计采用了形式化规范，就可以利用形式化方法来证实实 现是否满足规范的要求( 如利用属性检查) 。 可执行规范：可执行规范对于描述大多数设计中的功能行为更加有用。可执 行规范实际上是对软、硬件的一种抽象模型。对一些高层次的规范可用 s y s t c m c 或h v l ( 硬件验证语言) 书写。在低层次通常用v c r i l o g 或v h d l 语 言描述。 1 1 4 采用可重用设计方法的意义 可重用设计方法已经成为s o c 设计团队必须采用的一种设计方法，也正在被世 界上越来越多的可重用i p 开发团队和s o c 集成设计者使用。偶然地重用可以带来 2 3 倍的效益【1 1 ；而大多数s o c 设计明确要求使用可重用模块。因为可重用i p 核 设计需要花费比一般设计更多的时间。所以只有专门的公司或团队来负责可重用 模块的开发，可重用模块设计就必须走向标准化。因此可重用设计方法的最大意 义在于使整个芯片设计行业划分两类：i p 核集成或使用者和专业的i p 核设计或开 发者。 可重用设计方法不仅限于数字口核重用的范畴和s o c 设计，随着可重用设计 方法的不断完善，势必在模拟i p 核和软件的可重用设计上也会逐渐受到重视。本 文将可重用设计方法从s o c 设计领域延伸到s o p c 设计领域，从可重用设计方法 角度阐述基于s o p c 的嵌入式系统设计。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 2e s l 系统级设计 1 2 1e s l 系统级设计基本概念 电子系统级e s l ( e l e c t r o n i cs y s t 锄1 2 v e l ) 设计方法是从算法建模演变而来的， e s l 设计已经演变为嵌入式系统软硬件设计、验证和调试的一种补充方法学。这 些嵌入式系统包括s o c 系统、f p g a 系统、板上系统、以及多板级系绀3 1 。 e s l 以抽象方式来描述s o c 系统，给软硬件工程师提供一个虚拟的硬件原型 平台，用以进行硬件系统结构的探察和软件系统的开发。在e s l 设计中，系统的 描述和仿真速度快，使设计师有充足的时间分析设计内容。e s l 设计不仅能应用 在设计初期与系统架构规划阶段，也能支持整个硬件与软件协同设计的流程。 s o c 的设计趋势正从r t l 向e s l 转移。e s l 可以帮助设计者从更高层次进行 电路设计，它能协助工程师进行系统级设计、结构定义、软硬件分割和协同设计， 建立虚拟原型机，以及验证不同构架方案的可行性。 e s l 设计的核心是t l m ( t r a n s a c t i o nl e v e lm o d e l i n g ) 事务级建模。目前的e s l 工具通常采用工业标准语言进行建模，如c c + + 、s y s t e m c 、s y s t e m v e r i l o g 等。在 基于f p g a 的s o p c 平台上，还可以使用m a t l a b s i m u l i n k 进行建模。用基于模 型的设计方法，以系统模型取代书面规范。 1 2 2 系统级设计流程 为了迎接系统设计所带来的挑战，设计师正在将他们的设计方法转移到两种主 要的设计方法上【3 】： 从瀑布式模式转移到螺旋式模式上。 从自顶向下的方法转变为自项向下和自底向上的混合方法。 4 概述 交付系统集虚和戟件舅试 图l l 瀑布式系统设计流程 由图1 1 可以看出传统的瀑布模式，项目开发是从一个阶段到另一阶段按步骤 推进的，后一阶段完成后，不会再返回到前一阶段。这样的模式中，设计项目通 常是有一个团队移交到下一个团队，团队之间没有交流。另外，此模式在上一阶 段未完成之前，不允许下一阶段开始。在以前大多数项目开发中，软件设计总是 紧跟着硬件设计之后就开始了，然而由于没有硬件平台供软件进行调试，软件开 发团队也只能等待，所以软、硬件的开发总是顺序进行。 随着复杂度的增加、几何尺寸的缩小和上市时间的压力，许多设计团队已经从 旧的瀑布模式转移到螺旋模式上。在此模式下，设计团队是在多个层面上同时开 始设计，增强了设计的竞争力。 目标：保持设计流程相互问并行执行系统设计和验证 物理i时序l硬件l 软件 物理缓 设计 规范： 面积、功 耗时钟 树设计 预规划 修改 规划 修改 规划 预布局 时序 设计 规范： i o 时序 时钟频率 模块时 序规范 模块综合 和布局 软件 设计 规范： 应用 原型 开发 庸用原 型测试 应j 玎系 统， f 发 应用系 统测试 霎鬈阿 i 囊霍阐襄嚣委 图1 2 螺旋式系统设计流程 5 时 问 iiiiiil-l丫 ：发解一，一一 一 。 斛甜腕蚜与鼢一嬲囊|一蓦主雌一籼 斛甜|薹一与一一一黻|薹薹一 北京交通大学硕士学位论文 图1 2 给出了螺旋式系统设计流程，这种流程的特征包括： 软件和硬件的开发并行； 验证和综合的过程并行； 规划和布局、布线包含在综合过程中； 只有当以前设计的软、硬核不可用时，才开发新模块； 整个过程中有多次迭代。 经典的自顶向下的设计流程式设计中常采用的，它开始于规范制定、功能划分， 结束于系统集成和验证。但是像瀑布模式一样，自顶向下的开发方式也是一种可 以实现的理想状态。因为它是假定底层的模块已经设计好了，如果某一模块不合 适本次设计，则设计需要重新再反复一次。正因如此，设计团队通常选择自顶向 下和自底向上的混合方法。在这一设计过程中，可重用核库可以提供一些已验证 过的核，以满足设计的需要。 与以往的s o c 系统级设计不同，e s l 设计可分3 步走。首先是功能设计，在 这一步需要建立并且验证所开发产品的功能模型，通常包括各个部分的功能，各 个部分之间的通信、数据流控制输入输出端口等。其次是基于应用的结构设计， 此时需要描述整个系统平台，将功能模型映射到平台上，并进行验证，找到最理 想的情况。最后是基于平台的结构设计，这一步需要对平台进行低层次的描述， 建立和谐的硬件结构。 图1 3 所示为e s l 系统设计流程的示意图【4 】： 调整 篙 酸 8 吼蝴出 调整 图i - 3e s l 电子系统级设计流程 首先接受一个设计定义的输入，这个定义可以是文本、图表、算法或某种描述 语言。根据这个输入的定义，完成算法的开发，提出一种系统的架构，用e s l 语 6 概述 言来描述这种系统架构，即系统级描述，并在此基础上完成软硬件的初步划分。 完成基本的软硬件划分后，开始软件和系统级硬件的设计。这里的系统级硬件 设计是指对功能单元的高抽象层次的建模，完成功能设计。软件设计是根据架构 中指定的处理器和软件任务的定义完成应用软件的设计。 软硬件协同验证，根据协同验证的结构反馈给体系结构和软硬件划分，根据性 能成本等因素重新做出调整，这时一个重复的过程，在整个设计过程中要根据验 证的结果对系统和设计做出调整。 完成验证的硬件和软件就可以组成一个完整的系统设计。 1 2 3e s l 系统级设计特点 e s l 设计受到欢迎，主要有三方面的功能：功能正确和时钟精确型的执行环 境使提前开发软件成为可能，缩短了软硬件集成时间；系统设计更早的和验证流 程结合，能确定工程开发产品的正确性；在抽象层设置的约束和参数能传递到各 种用于实现的工具中。e s l 设计领域有三种不同的层次：在最高的层次是算法开 发；在设计和实现层次是系统构架开发；接着就是设计的自动生成过程。 e s l 设计有以下几个特尉4 】： 1 更早的进行软件开发 2 更高层次上的硬件设计 3 设计的可配置性和自动生成 4 方便的架构设计 5 快速设计和验证 1 2 4e s l 系统级设计的挑战 首先是口核问题，在e s l 设计中i p 无疑起到了很重要的作用。虽然在e s l 设计中，功能模块的设计在较高的抽象层次上完成，但这相对于r t l 模块的设计 速度要快很多。但要完成设计和验证众多的功能模块，没有专业的i p 核提供商也 是难以想象的，而像处理器等重要的虚拟模型需要由e s l 工具或专业的i p 提供商 来提供，而口的可配置性决定了他们能否工作在不同的平台上。 其次是设计方法学的发展，e s l 是一个新的设计方法，需要在设计流程和设计 方法学上进一步探索。 最后是设计人员观念的转变，传统的软件工程师、硬件工程师和体系架构工程 师是各自分立，而e s l 设计需要他们结合在一起而不是分离。 7 塑墅娑墼 蓑瀑一一纛瓣 1 3s o p c 技术概述 此誓蒜翠勰器一冀怒 8 概述 公司在2 0 0 0 年提出的s o p c 技术则提供了另一种有效地解决方案，即用大规模可 编程器件的f p g a 来实现s o c 的功能。s o p c 与s o c 的区别就是f p g a 与a s i c 的 区别。s o p c 是s o c 发展的新阶段，代表了当今电子设计的发展方向。其基本特征 是设计人员采用自项向下的设计方法，对整个系统进行方案设计和功能划分，最 后系统的核心电路在可编程器件上实现。 随着百万门级以上的f p g a 芯片、功能复杂的i p 核、可重构的嵌入式处理器 核以及各种功能强大的开发工具的出现，s o p c 已成为一种一般单位甚至个人都可 以承担和使用的设计方法。s o p c 基于f p g a 芯片，将处理器、存储器、i o 口等 系统设计需要的模块集成在一起，完成整个系统的主要逻辑功能，具有设计灵活、 可裁减、可扩充、可升级及软件、硬件在系统可编程的功能。 m c u ( m i c r oc o n t r o lu n i t ) 、d s p ( d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 和f p g a 在现代嵌入 式系统中都扮演着非常重要的角色，它们都具有各自的特点但又不能兼顾。在简 单的控制和人机接1 2 1 方面，以5 1 系列单片机和a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 微 处理器为代表的m c u 因为具有全面的软件支持而处于领先地位；在海量数据处理 方面，d s p 优势明显；在高速复杂逻辑处理方面，f p g a 凭借其超大规模的单芯片 容量和硬件电路的高速并行运算能力而显示出突出的优势。因而，m c u 、d s p 、 f p g a 的结合将是未来嵌入式系统发展的趋势。而s o p c 技术正使m c u 、d s p 和 f p g a 有机融合。目前，在大容量f p g a 中可以嵌入1 6 位或3 2 位的m c u ，如 a l t e r a 公司的n i o s i i 处理器；d s p 对海量数据快速处理的优异性能主要在于它 的流水线计算技术，只有规律的加减乘除等运算才容易实现流水线的计算方式， 这种运算方式也较容易用f p g a 的硬件门电路来实现。s o p c 一般采用大容量f p g a 作为载体，除了在一片f p g a 中定制m c u 处理器和d s p 功能模块外，可编程器 件内还具有小容量高速r a m 资源和部分可编程模拟电路，还可以设计其他逻辑功 能模块【8 1 。 由于市场上有丰富的i p 核资源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的系统。 有些可编程器件内还可以包括部分可编程模拟电路。除了系统使用的资源外，可 编程器件内还具有足够的可编程逻辑资源，用于实现其它的附加逻辑。目前精度 较高的a s i c 产品制造价格仍然相当昂贵，而集成了硬核或软核的c p u 、d s p 、存 储器、外围i o 及可编程逻辑的s o p c 芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。 从应用角度看，s o p c 与s o c 相比有自己的优点。因为它是基于p l d f p g a 实 现的，可以随时下载以验证其功能，灵活性高。对设计好的产品中，如果要对芯 片中电路布局改动，或者增减功能只需要重新下载，设计周期短，不是定制的， 是可编程的。 s o p c 结合了s o c 和f p g a 各自的优点，一般具备以下基本特征： 9 北京交通大学硕士学位论文 至少包含一个以上的嵌入式处理器口核 具有小容量片内高速r a m 资源 丰富的i p 核资源可供灵活选择 足够的片上可编程逻辑资源 处理器调试接口和f p g a 编程接口共用或并存 可能包含部分可编程模拟电路 单芯片、低功耗、微封装 s o p c 设计流程通常包括两方面：基于q u a r t u s i i 的硬件设计，基于n i o s i i 的软件设计。对于比较复杂的系统，硬件和软件设计可以分开进行。图l - 5 为s o p c 设计流程示意图。 图1 - 5s o p c 设计流程图 硬件设计工作如下： ( 1 ) 使用s o p cb u i l d e r 工具进行口软核集成。 ( 2 ) 将s o p cb u i l d e r 生成的h d l 代码用q u a r t u s i i 进行综合、布局布线和前端 仿真验证，也可用第三方工具综合，仿真验证；将设计顶层模块在目标器件进行 i o 分配。 ( 3 ) 使用q u a r t u s l i 编程器将生成的配置文件下载到f p g a ，进行后端验证和测 试，根据结果不断优化设计。 软件设计工作如下： ( 1 ) 在s o p cb u i l d e r 构建硬件系统同时，就可以开始编写独立于器件的c c + + 应用程序，或编写自行设计的m 核驱动程序。 1 0 概述 ( 2 ) 在n i o s i i 软件开发环境中根据s o p cb u i l d e r 对系统的配置脚本生成相对应 的h a l 库，可以进行对程序进行软件级仿真和调试，还可以进行操作系统配置。 ( 3 ) 在n i o s l i 软件开发环境中将编译、链接过的可执行程序下载到可编程逻辑 器件，进行硬件级的调试和测试，根据结果不断优化设计。 从上图可以看出软、硬件协同设计思想自始至终体现在s o p c 系统的开发过程 中。不仅在软、硬件划分后，构建硬件系统的同时就可并行地设计软件程序，当 配置文件和软件程序下载到f p g a 后，系统的优化和调试完全也是是相互协调、 配合的。 1 4 本文特色性工作内容与组织结构 可重用设计方法是针对s o c 设计所总结出的方法论，本论文将可重用设计方 法的思想延伸到以f p g a 为平台、以i p 核为核心的基于s o p c 的嵌入式系统设计 中，将研究重点放在算法可重用的设计与评估上，能够彻底摆脱在以往的嵌入式 系统设计中，软硬工程师分家和总体设计人员只能停留在s o c 应用层的局面。同 时，本论文对可重用设计方法理念，电子系统级设计实现方式以及设计方法做了 综述性的介绍，结合可重用设计方法，着重阐述了基于s o p c 的系统设计方法，并 以语音编解码系统为例，设计一种适合教学实践的可重用设计方法演示平台。论 文的创新工作在于以下几个部分： 1 可重用设计方法在s o p c 平台上的扩展 。 2 电子系统级设计在s o p c 平台上的应用 3 实现了基于语音波形编码的原型算法模块库 4 建立了基于语音波形编码算法可重用教学演示平台 针对上面叙述的工作内容，论文的结构分为以下几个章节： 第一章概述：介绍可重用设计方法的概念和发展，系统级设计概况、实现方 式和设计方法，以及论文的组织结构。 第二章基于s o p c 平台的可重用设计方法的拓宽：详细阐述了s o p c 系统平台 在可重用设计方面和电子系统级设计方面的方法和优势。 第三章基于d s pb u i l d e r 的s o p c 系统级设计：详细介绍了系统级设计工具 d s pb u i l d e r ，以及怎样在s o p c 平台上完成原型算法模块的设计。 第四章语音波形编码的可重用算法设计：使用m a t l a b s i m u l i n k 和d s p b u i l d e r 设计工具实现语音波形编码的算法仿真，验证，硬件实现。 第五章基于波形编码算法可重用的教学演示平台：结合算法可重用设计和电 子系统级设计的方法，将上章实现的算法模块组成可重用的算法模块库，并建立 北京交通大学硕士学位论文 一个能够对算法的可重性进行测试和演示的平台。以波形编码为应用点，展示如 何快速的设计和更新系统以完成不同的功能。 第六章总结与展望：总结可重用设计方法在s o p c 系统中的意义，优势和特 点。同时指出工作不足，展望后续工作。 1 2 基于s o p c 平台的可重用设计方法的拓宽 2 基于s o p c 平台的可重用设计方法的拓宽 s o p c 片上可编程系统是美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年提出一种灵活、高效的 s o c 解决方案，它将处理器、存储器、i o 接口和用户逻辑电路等系统设计所需要 的功能模块集成在一个可编程器件中，构建成一个可编程的片上系统，具有可裁 剪、可扩充、可升级以及软硬件在系统可编程的功能。 可重用设计方法源于s o c 的设计人员对复杂芯片设计方法的总结和归纳，即 使用以前设计完成且已经过验证的知识产权核构建系统的设计方法。在不断的使 用和总结过程中，这种设计方法已经推广到更多的设计层次上并被赋予了更多的 内涵，在s o p c 平台下，我们认为可以从四个层次或者是模式上定义可重用设计方 法。 2 1 基于f p g a 硬件结构的可重构设计 目前，对于可重构技术并没有一个统一的标准定义，不同的研究者由于研究 问题角度的不同，对可重构有着不同的理解，因而也提出了不同的定义。这里选 择几个有代表性的定义来描述可重构的特征。 ( 1 ) 可重构技术是指用在系统内作为硬件处理单元的可编程逻辑器件，根据需 要对其内部结构、功能、连线重新配置，使固定的硬件实现多种多样的可编程解 法【5 1 。 ( 2 ) 可重构计算机是一种通过将计算单元进行制造后( p o s t f a b r i c a t e ) 空域连接 ( s p a t i a lc o n n e c t i o n ) 以实现计算的器件1 6 j 。该定义中的两个要点是：一是制造后的 功能定义；二是利用空域连接进行计算。所谓制造后，是指器件功能的定义是在 i c 器件出厂之后由用户完成的，而a s i c 器件的功能是在芯片生产厂制造过程中 完成的，在这个意义上可重计算系统与通用处理器十分相似。功能定义时间的延 后意味着可重构计算系统可以由用户根据特定的应用背景实现多种不同的功能。 空域连接指的是用逻辑门和连线来实现计算，与此相对的另一种完成计算的方式 是用算术逻辑运算单元( a l u ) 和在a l u 上实现的指令序列，后者被称为时域连接 方式。 ( 3 ) 可重构计算系统就是通用定制硬件【丌。这个定义突出通用和定制这两个特 点。所谓通用就是可以用同一个硬件平台完成多种计算功能，而定制就是将硬件 按照一个特定应用的结构、行为特点进行设计与优化。通用性是可编程处理器的 优势，而通过定制获得高性能是a s i c 器件的特长。这个定义说明了可重构计算可 1 3 北京交通大学硕士学位论文 以兼具可编程处理器的通用性和a s i c 器件高性能的优点。 从以上对于可重构特征的描述中可以看出，可重构的发展趋向就是要填补软 硬件之间的空白，既要达到比软件方法更高的性能，同时具有比硬件更高水平的 灵活性。 本论文提出的基于硬件结构的可重构技术是从f p g a 本身的可编程特性出发， 实现系统设计的可重构，即在设计的过程中构建可重用的物理平台，使得物理平 台满足一定的通用性，同时又具备可修改、可扩展的特性，用以满足不同的设计 需求。使得不同的设计工作可以使用相同的平台来完成，从而避免了对底层物理 平台设计工作的不断反复。实际上这是f p g a 技术在s o p c 系统设计中的最基本应 用，所谓电路的可重用性。 可重构设计的基本技术就是f p g a 可编程技术。常见的可编程技术可以分为 三类：一次性可编程技术、多次可编程技术以及无限次可编程技术，基于反熔丝 技术的可编程技术属于一次性可编程( o t p ，o n et i m ep r o g r a m m i n g ) 技术；基于 e p r o m ，e e p r o m 和f l a s h 技术的可编程技术属于多次可编程技术；而基于 s r a m 技术的属于无限次可编程技术。可重构技术要求器件具备无限多次可编程 的能力，所以一般采用基于s r a m 的可编程技术。 从重构的机制方面，可重构技术可分为静态可重构和动态可重构。 静态重构指目标系统的逻辑功能静态重载，即f p g a 芯片在外部逻辑的控制 下，通过存储于存储器中不同的目标系统数据重新下载，而实现芯片逻辑功能的 改变。 动态重构指目标系统的逻辑功能发生改变，不是通过调用芯片内部不同区域、 不同逻辑资源组合而来，而是通过具有专门缓存逻辑资源的f p g a ，进行局部或全 部的芯片逻辑动态重构实现。动态重配置技术主要是指对于特定的基于s r a m 结 构的f p g a ，在一定的控制逻辑的驱动下，对芯片的全部或部分逻辑资源实现在系 统的高速的功能变换和时分复用。就其实现重构的面积不同，又可以分为全局重 构和局部重构。 全局重构：对f p g a 器件或系统能且只能进行全部的重新配置，在配置过程 中，计算的中间结果必须取出存放在额外的存储区，直到新的配置功能全部下载 完为止，重构前后电路相互独立，没有关联。通常，可以给f p g a 串连一个e p r o m 来存储配置数据，实现前后功能的转化。 局部重构：对重构器件或系统的一部分进行重新配置，而在此过程中，其余 部分的工作状态不受影响。这种重构方式减小了重构范围和单元数目，从而可以 大大缩短重构时间，占有相当的优势。 1 4 基于s o p c 平台的可重用设计方法的拓宽 2 2 基于网络技术的可重配置设计 这里的可重配置设计，并不同于前面的可重构。这里侧重在于系统平台的配 置性，是在f p g a 中加入c p u 核，通过升级软件和必要时修改f p g a 电路逻辑， 实现软硬件体系可配置，使得不同的设计工作可以使用相同的平台来完成，即系 统平台的可重用性。 这里的可重配置既可以是软件上的也可以是硬件上的。概括的说，可重配置 系统结构具备这样一种功能，它能够即时对自身进行重新配置，改变自身的软件 结构或者硬件结构，或者两者都改变，并且具备改变这种软硬件结构并重新引导 系统自动恢复工作状态的能力。 a l t e r a 将这种配置设计称为i s p ( 实时系统可编程) ，能从远程进行实时系统 升级，可以使用任何网络通信网络传输远程系统升级数据。使用i s p 功能的第一 步是通过一个确定的或远程的连接，比如以太网连接，将编程比特流发送给应用 系统，然后远程升级系统通过j t a g 口将数据发送给配置f l a s h 存储器并保存起来。 在下载的过程中，用户f l a s h 存储器、可编程逻辑以及i o 管脚依然在工作状 态，保证正常运行不受影响。即在系统保持运行的前提下，新的编程比特流可以 在任何时候下载到配置f l a s h 存储器中，下载后的比特流可以立即更新可编程逻辑， 也可以保存在配置f l a s h 中，在下一个上电循环时进行更新。 可重配置逻辑的意义在于可以将平台配置成不同的功能，从而为不同的应用 和计算提供硬件支持。并且可以对系统进行远程升级而不用派人员去现场升级。 我们也可以将其称为基于网络的可重配置，网络主要指的是i n t e r n e t ，也可以 是无线网络、电话网络、或其他的网络连接机制。这种技术的核心就是通过i n t e m e t 对远程设备的硬件设计和软件程序进行升级、重构、调试和监控。 一般来说，基于网络的可重配置平台应该具有如下功能：网络接入功能( 包括 硬件接口和协议栈) 、网络数据交换功能、f p g a 配置功能、故障恢复功能等等。 在嵌入式i n t e r n e t 技术和处理器的支持下，这些功能目前已经可以实现，甚至可以 使用f p g a 内嵌的处理器核来实现。 设备厂商可以通过i n t e r n e t 访问远程目标机，通过h r r p 、f t p 等网络协议实 现数据、文件传输和交互控制的功能。从而实现设备或产品的远程监控、调试、 维护、修复、升级等操作。采用网络可重配置技术将给设备厂商带来几个好处： 缩短产品上市时间、减少产品维护费用、延长产品生命周期。随着嵌入式系统和 i n t e r n e t 技术的蓬勃发展，这种设计理念必将对嵌入式设备的设计模式产生深远的 影响。 1 5 北京交通大学硕士学位论文 网络可重配置技术包括三个方面的基本要素：含有配置比特流或应用程序的 主机：含有配置功能的目标系统；i n t e m e t 或远程访问介质。 在i n t e m e t 环境下，可通过w e bb r o w s e r 访问远程目标机，通过h t r p 、f t p 协议、j a v aa p p l e t 和c g i 等功能实现数据、文件传输和交互控制功能。在某些特 殊环境下，远程访问介质可以是p s t n 、无线网络或其它特殊媒介，这在某些工业 控制场合以及军事应用中是常见的。 可重配置技术可以应用于许多场合，诸如：在部分功能没有完成全面测试之前 就可以先将产品投放市场；故障设备的远程维护；远程修复产品使用过程中发现 的b u g ；对已售出的产品升级新的功能；对新出现的标准和协议予以支持等等。总 而言之，采用这种技术将带给我们的产品三个明显的优势：缩短产品上市时间； 减少产品维护费用；延长产品生命周期。 在基于w e bb r o w s e r 的条件下，主机端的应用程序将达到最简化，主机端无 需安装任何特殊应用程序就可完成对远程设备的操作，这种简化对用户而言是必 要的。这样，目标机的设计就是网络可重配置技术实现的全部内容。 一般而言，目标机端应实现以下功能： 以太网或m o d e m 接入 t c p i p 或t c p i p + p p p 协议栈 h t t pw e bs e r v e r 支持c g i 、a s p 或j a v as c r i p t f p g a 配置时序，至少支持j t a g 配置模式 足够的存储空间和配置故障恢复功能 2 3i p 核复用及i p 核设计 m 设计与复用技术：主要是指在s o p c 系统的设计阶段，推广和使用p ，从 而达到保护知识产权，同时提高设计效率，减少设计周期和投入的目的。 口是具