（微电子学与固体电子学专业论文）ip软核复用技术研究.pdf

e 塞奎适太兰亟堂僮论塞虫塞撞受 中文摘要 摘要：随着半导体工艺的快速发展，基于i p 核复用的s o c 设计正逐渐成为集成电 路设计的主流技术。作为i p 核形式之一的i p 软核，灵活性高，在i p 核复用中有 很大优势。然而，i p 软核在实际应用中，存在很多挑战。使用高质量的i p 软核， 可以提高设计效率和设计质量，反之，可能导致设计失败。因此，对i p 软核进行 评估，判断i p 软核的质量水平，为i p 软核选择提供依据和便利，成为s o c 设计 的一项重要任务。 本文基于可复用设计方法学，以i p 软核使用者的角度，着重分析i p 软核质量 问题，提出i p 软核质量指标，研究i p 软核质量评估流程和方法。本文首先根据i p 软核现状，总结i p 软核复用过程中可能存在的质量问题。依据现状和i p 软核使用 者的要求，分析优秀i p 软核的质量特性，并提出i p 软核质量指标。然后以质量指 标为指导，将l p 软核评估工作分为可用性和性能考查两个方面，评估内容主要包 括：交付项考查、验证文件考查和软核性能评估。给出各项评估内容的考核依据 和评估方法，主要包括交付项质量评估、验证文件质量评估和i p 软核功耗估算的 方法，并对i p 软核验证平台的规范进行研究。最后以8 0 5 1 1 p 软核的f p g a 应用为 例，提出8 0 5 1 i p 软核通用验证策略和性能评估方法。根据提出的i p 软核质量指 标和评估流程，完成c 8 0 5 l i p 软核可用性和性能评估，并对c 8 0 5 l i p 软核的验证 平台进行部分改善工作。评估和改善的结果，为c 8 0 5 1 i p 软核的后续工作提供数 据资料和便利性。 关键词：i p 软核；质量：评估；交付项；验证平台：综合；功耗：8 0 5 1 i p 软核 分类号： 韭立变通太堂亟堂僮途塞曼泌! a b s t r a c t a b s r r a c r w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to ft h es e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，i p b a s e ds o c d e s i g ni sb e c o m i n g a p r e d o m i n a n tm e t h o d o l o g y o f i cd e s i g n a sak i n do fi pc o r e ，i p s o f tc o r eh a sab i ga d v a n t a g ei nr e u s ed e s i g nb e c a u s eo fi t sf l e x i b i l i t y h o w e v e r ，t h e r e a r em a n yc h a l l e n g e sw h e ni ps o f tc o r er e u s ei sp r a c t i c i n g i ps o f tc o r eo fh i 曲m e t r i c w i l l i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd e s i g n f l o wa n dp r o m o t et h eq u a l i t yo ft h ew h o l e d e s i g n s oe v a l u a t i n gt h eq u a l i t yo f i ps o f tc o r et oa l l e v i a t et h ei ps o f tc o r es e l e c t i o n ， i sb e c o m i n ga ni m p o r t a n tt a s ki ns o c d e s i g nf i e l d b a s e do i lt h er e u s em e t h o d o l o g ya n dt h ep e r s p e c t i v eo fi pu s e r ，t h i sd i s s e r t a t i o n f o c u so nt h er e s e a r c ho f l ps o f tc o r eq u a l i t y ，e v a l u a t i o nf l o wa n dm e t h o d s f i r s t l y ，t h i s d i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ei ps o f tc o r eq u a l i t yc h a l l e n g e sa c c o r d i n gt ot h e a c t u a l i t y t h e nq u a l i t ym e r i tc h a r a c t e r so fi ps o f tc o r ea r ep r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n ， a n dt h ee v a l u a t i o nf l o wi sd i v i d e di n t ot w os t a g e s ：d e l i v e r ya s s e s sa n dp e r f o r m a n c e a s s e s s t h i sd i s s e r t a t i o n p u t sf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n ge v a l u a t i o ng u i d e l i n e sa n d m e t h o d sm a i n l ya b o u tt h ee v a l u a t i o nm e t h o d so fd e l i v e r i e s ，t e s tf i l e sa n dp o w e r d i s s i p a t i o n f i n a l l y ，a c c o r d i n gt oq u a l i t ym e r i tc h a r a c t e r sa n dt h ee v a l u a t i o nf l o w , t h i s d i s s e r t a t i o ne v a l u a t e sa8 0 5 1i ps o f tc o r eb a s e do nf p g aa p p l i c a t i o n ，p r o p o s e sa u n i v e r s a lt e s ts t r a t e g yo f8 0 5 1i ps o f tc o r ea n dm a k e ss o m ei m p r o v e m e n tt ot h e8 0 5 1i p s o f tc o r e t h er e s u l to ft h ee v a l u a t i o na n di m p r o v e m e n t ，w i l lb eh e l p f u lf o rt h e s u b s e q u e n td e s i g nf l o wo ft h e8 0 5 1i ps o f tc o r e k e y w o r d s ：i ps o f tc o r eq u a l i t y ；e v a l u a t i o n ：t e s tb e n c h ：s y n t h e s i s tp e r f o r m a n c e p o w e rd i s s i p a t i o n ：8 0 5 1 i ps o f tc o r e c l a s s n 0 ： 致谢 本论文的工作是在我的导师骆丽教授和李哲英教授的悉心指导下完成的。两 位教授严谨的治学态度、深厚的理论修养和务实的科研态度给了我极大的帮助和 影响，是我学习的楷模。 骆丽教授为我创造了良好的学习机会和科研环境，悉心指导我的科研工作， 给我指明研究的方向，引导我在工作中不断进步。两年多来，骆老师在我的学习 和科研方面给予许多精心的指导，在生活上也给予我很大的关心，令我受益匪浅。 在此衷心感谢骆丽老师对我的关心和指导。 李哲英教授对于我的科研工作和论文提出了许多宝贵意见。在整个论文研究 和撰写期问，李老师严谨负责的科研作风和渊博的学识，给我很大影响和帮助。 李老师的关心和指导，使我的科研工作和论文写作不断完善，在此对李老师表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，高秋红、殷开爽等同学对我论文中的i p 软核 复用技术研究工作给予了热情帮助。在整个研究生学习过程中，我的好朋友刘亚 楠、王蕊等一直给予我关心和帮助。在此向他们表达我的感激之情。 另外感谢我的家人，他们在我的学业过程中，始终给予我关心、支持和帮助， 使我能够在学校专心完成我的学业。 e 塞交通太堂亟堂位逭塞i i 直 1 引言 随着半导体工艺技术的快速发展，芯片设计正逐渐朝s o c ( s y s t e m0 1 1ac h i p 片 上系统) 方向发展，将整个系统的功能集成到一个芯片中。基于i p 核复用的设计 方法是提高s o c 设计效率的有效途径。i p 软核具有较大的灵活性，在i p 核复用中 占有很大优势。然而，在实际应用中，i p 软核复用存在着很多挑战。 由于i p 软核设计和评估技术的国际标准尚未完善i ”，以及i p 软核提供者设计 习惯和技术限制等原因，使得i p 软核存在较大的质量风险。使用低质量的i p 核进 行设计，例如有功能错误的i p ，可能会对芯片的设计产生极大的危害，甚至导致 芯片设计不成功。因此，在确定复用i p 核之前，必须经过严格地评估和选择i p 核 的过程。选择优秀的i p 核对整个设计至关重要，是i p 核复用设计是否成功的一个 关键。 本文通过对i p 软核复用技术的研究，从i p 软核可用性评估和性能评估两方面 进行分析，提出一套l p 软核质量考查的指导原则和方法。 1 1 s o c 概述 半导体工艺技术的高速发展，使得数字集成电路( i c ：i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的 集成度越来越高，其设计方法也受到越来越多的挑战，出现了多次变革。 1 1 1 数字i c 设计的发展 从集成度角度看，数字集成电路经历了小规模( s s i ) 、中规模( m s i ) 、大规 模( l s i ) 、超大规模( v l s i ) 和特大规模u l s i 阶段。目前电路已达到千万门规 模，也就是深亚微米( d s m ：d e e ps u b m i c r o n ) 时代。 随着集成电路技术和集成度的不断提高，数字i c 设计方法也越来越复杂。在 微米和深亚微米时代，器件特征尺寸越来越小，使得在一个芯片上整合上百万甚 至更多的晶体管成为可能，为片上系统( s o c ) 技术的实现创造了条件。s o c 技术 始于2 0 世纪9 0 年代中期，s o c 设计技术的出现是集成电路产业发展历史上的一 次革命。s o c 技术可以极大地降低整个系统得开发费用，同时在原有芯片的基础 上增加更多功能，可以降低功率消耗和芯片的面积，以及可以缩短产品的面市时 间( t r m ：t i m e t o m a r k e t ) 。s o c 技术是集成电路产业未来总的发展趋势【2 】。 j e 塞窑适塞堂亟堂僮论塞i i 言 1 1 2 基于i p 核复用的s o c 设计 根据摩尔定律，集成电路的集成规模以5 8 的速度增加，而集成电路设计仅 以2 1 速度增加。集成电路设计水平与半导体工艺水平之间，形成一定的剪刀差【1 】。 如图1 - 1 所示。 单个芯片上的晶体管数目( m ) 份 墨毒爱琶墓兰堇漫遏誊量量晷詈量 图1 - 1 半导体工艺和设计效率的剪刀差1 1 i h g u r e1 - 1g a pb e t w e e ns e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g ya n dd e s i g ne f f i c i e n c y 设计能力和工艺水平之间的矛盾成为s o c 发展的一个突出障碍。s o c 是高度 复杂的系统，如果一切从头开始设计，不但会使设计的艰难度和复杂度增加，也 无法保证产品设计的面市时间( 1 1 m ：t i m e t o m a r k e t ) 。基于可复用i p 核的s o c 设计方法，借鉴和使用已经成熟或已完成的设计，进行s o c 开发，是实现s o c 有 效的途径。基于i p 复用的s o c 技术缩短了面市时问，降低开发成本，是微电子 技术发展的趋势吼 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核，也称集成电路知识产权核。美国d a t a q u e s t 公司 对i p 核的定义为：a s i c 、p l d 等当中，预先设计好的电路功能模块【3 1 。v s t a ( v i r t u a l s o c k e ti n t e r f a c ea l l i a n c e 虚拟插座接e l 联盟) 根据设计层次，将i p 核分为软核、硬 核和固核3 种形式。 i p 软核。通常是以h d l 源文件或相应的加密形式提交给用户，它经过设计优 化和功能验证，但不含有任何具体的物理信息。用户可以综合出设计网表，并进 行后续的设计。i p 软核具有很大的灵活性，借助于e d a 综合工具可以很容易地与 其他模块组成一体，根据各种不同半导体工艺，设计成不同的器件。 司引引引引引到年 似 帅 。 m 瑚 m 。 叭 州 哪 e 夏窑垣太堂亟堂僮论塞i i 直 i p 硬核，是基于半导体工艺的物理设计。硬核已有固定的布局和具体工艺， 并经过工艺验证，具有可保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模 版图和全套工艺文件。 i p 固核，设计程度介于软核和硬核之间，除了完成软核所有的设计外，还完 成门级电路综合和时序仿真等设计环节。一般以门级电路网表的形式提供给用户。 i p 软核的优点是有很大的灵活性，不受实现条件限制，为后续设计留有更大 的创新空间。这些优点使得i p 软核具有很好的复用性和可移植性。实际上i p 软核 也是一个普遍需求的i p 核1 4 1 。因为i p 软核的设计抽象层次高，所以对模块的预测 性不足，增加了设计风险，使得后续设计中仍有发生差错的可能【4 1 。 因此，选择质量保证的i p 软核，降低设计风险，成为i p 软核复用之前必须经 历的阶段。性能优秀的i p 软核，是设计的顺利进行的一个前提。这是本文主要涉 及的问题。 1 2 研究意义 基于i p 核复用的设计方法，能够有效地促进片上系统s o c 的实现，这也是i p 核的优势所在。i p 软核有灵活性和开发成本低的特点，在实际应用中具有一定普 遍性【”。但由于i p 软核的性能缺乏预见性【4 1 ，以及目前i p 软核来源广泛，很多可 获得的i p 软核并不能保证质量。如何评估i p 软核质量，选择优秀i p 软核，成为 一项重要的工作。只有选择质量保证的i p 软核才能达到其复用的优势。反之，将 无法获得i p 软核复用优势，并可能导致后续设计出现故障甚至失败。 根据上述分析，基于i p 软核复用设计方法学，分析其复用技术的优势和挑战， 研究i p 软核优秀特性、质量指标和评估方法，具有十分深远的意义。 1 3 本文工作 本文以i p 软核使用者的角度，对i p 软核的复用挑战、优秀特性、评估指标和 评估技术进行了研究。重点分析交付项质量、验证文件质量和l p 软核性能的评估 方法。并以8 0 5 1 i p 软核为例，进行可用性评估和性能评估，根据实验结果得出进 一步的结论。完成以下工作。 1 i p 软核复用现状分析，总结i p 软核复用可能出现的问题，并提出优秀i p 软核的特性。 2 提出i p 软核质量指标。并制定i p 软核评估流程和方法，包括可用性评估 和性能评估，涉及内容包括：交付项考查、验证平台考查和性能评估等方法。 3 j e 哀銮适太堂亟堂僮i 垒塞 i l 壹 3 研究i p 软核验证策略，提出验证文件考查指标以及验证平台架构规范。 4 根据提出的指标和评估方法，完成c 8 0 5 1 1 p 软核可用性和性能评估，得出 评估结果。 5 对评估的c 8 0 5 1 i p 软核进行部分改善工作，有助于后续设计阶段的工作。 j b 塞銮适盔堂亟堂僮迨塞! 筮兹复厦拄盔基趟 2 1 相关技术和理论 2i p 软核复用技术基础 i p 软核复用技术，包括：i p 软核设计、验证、评估和使用等方面。 2 1 1i p 软核设计流程 i p 软核设计流程主要步骤【1 1 ( 1 ) 规范和划分 提出i p 初始规范，优化规范并把设计划分为子模块。这一步骤的成果包括i p 核行为模型和初级测试参考标准。合理确定规范和划分模块是i p 软核开发成功的 关键。 ( 2 ) 子模块规范和设计 划分完毕后，开发子模块功能规范，主要包括与其它子模块通信接口的时序 和功能。完成各子模块的设计规范与功能规范的一致性检查后，设计者开发子模 块的实现代码、详细的时序约束、综合脚本和测试参考标准。 ( 3 ) 参考检查测试集开发 参考检查测试集开发与子模块开发同时进行。将行为级参考测试集优化为标 准检查测试集，使其能够对整个i p 核进行测试。 ( 4 ) 时序检查 设计者检查予模块的时序预算，确保符合时序要求。 ( 5 ) 模块集成 把子模块集成起来，产生顶层模块，并做功能验证。 ( 6 ) 产品化 包括几个部分：提供l p 软核设计、验证平台和相应文档，并进行打包提交。 从i p 软核设计流程中可以看出，优秀的可复用的i p 软核应经过严格规范和设 计，并进行了功能验证和一定优化的设计。在最后提交的i p 软核形式中，除了包 括设计文件本身，还需要提供验证文件、使用指导文件和综合文件。作为i p 软核 使用者，当然希望能获得详细的各种文档，包括行为级模型、设计文件的源代码， 验证平台的源代码、测试参考标准、测试集、时序约束和综合脚本等文件。但是 实际上，i p 软核使用者获得的文件往往不能保证完备性，给使用带来不便。 5 i 塞奎壅盘堂亟堂僮途童 ! 里筮兹复用燕丕基趟 2 1 2i p 软核验证流程 l p 软核验证流程在i p 设计和使用中都会应用到。i p 软核设计过程中的验证， 一般包括子模块验证和核整体验证。i p 软核使用过程中的验证，主要包括i p 软核 整体验证和与其他模块互连验证。这两种验证角度同样需要涉及到以下几种验证 和分析方法。 ( 1 ) 交互式仿真( s i m u l a t i o n ) 利用e d a 工具的交互式仿真功能，在仿真过程中加入激励，进行交互式仿真。 ( 2 ) 验证平台( t e s t b e n c h ) 搭建验证平台，可以完成自动给被测i p 软核施加测试向量、观测输出结果和 与基准比较的功能。验证平台一般包括：钡4 试向量产生、被测模块调用和输出结 果比较三个部分。验证平台是目前较常使用的i p 软核验证手段，在最终的i p 软核 提交项中，验证平台是一个重要部分。使用者希望i p 软核的验证平台可以足够完 善，能够有效完成i p 核验证，并能重用于后续的验证工作中。 ( 3 ) 代码覆盖率检查工具【1 】 检查测试覆盖率对验证策略是必不可少的，可以定量评估验证平台的效率性 和验证集完备性。一般的覆盖测试类型有代码覆盖和功能覆盖。 代码覆盖是比较常用的一种覆盖测试方法，包括：语句覆盖( s t a t e m e n t c o v e r a g e ) 、分支覆盖( b r a n c hc o v e r a g e ) 、条件覆盖( c o n d i t i o nc o v e r a g e ) 、路径 覆盖( p a t hc o v e r a g e ) 、翻转覆盖( t o g g l ec o v e r a g e ) 和触发覆盖( t r i g g e r i n g c o v e r a g e ) 。代码覆盖反映出了哪些代码被验证到，哪些代码没有被执行。没有被 执行的代码，没有经过验证，其质量未知，可能会引起错误。 i p 软核设计过程中的验证是本文的一个重点。i p 软核的复用特性，使得i p 软 核必须面对多种应用环境和要求，在特定场合需要对i p 软核重新配置甚至修改， 所以i p 软核使用过程中，验证成为一个重要的工作。所以，i p 软核使用者对验证 策略、验证平台以及相关文件的质量要求很高。 2 1 3i p 软核使用 使用i p 软核，并不像使用集成电路单元库那样简单，涉及到很多内容：评估、 验证和集成等【研。 目前，i p 软核的各项标准并不完善和普及，而且，i p 软核的质量难于获得权 威的保证川。所以，在考虑使用i p 软核进行开发时，首先进行i p 软核评估，非常 重要，可为后续的设计提供基本保障。i p 软核评估是本文的重点，在2 1 4 小节和 e 立交通太鲎亟堂僮论童理筮弦复盈擅丕基亘| ! | 后续章节，有进一步的介绍。 i p 软核使用中的验证，包括了软核本身的验证和与其他模块互连后的验证。 本文把软核本身的验证归结到评估工作中。与其他模块互连的验证，本文认为是 集成过程中的验证。i p 软核的集成，是i p 软核复用的实现。在使用中，i p 软核集 成可能会遇到一些问趔7 】【8 1 ，例如 1 1 p 软核相关文件不完备，增加了对这些i p 软核理解上的困难； 2 i p 软核接口与系统总线接口不匹配； 3 i p 软核设计中存在功能缺陷； 4 i p 软核的性能指标未知或性能差，； 5 验证模型没有按规范描述或不完善，难以应用到后续验证和系统验证环境 中； 如果在集成阶段出现以上问题，集成者为了解决问题，需要花很多精力和时 间去理解i p 软核的设计思想和代码。结果很有可能使这些i p 软核最终丧失了它原 来的效率优势川。 如果在i p 软核评估阶段，就对以上可能出现的问题进行考查，会给后续工作 很大的帮助。 2 1 4i p 软核评估 设计良好的i p 核是成功的s o c 设计的关键【。一方面，使用质量不好i p 核进 行设计，会增加系统设计的风险和工作难度。另一方面，设计良好的i p 核，可以 使验证、集成等后续工作变得简单高效。因此，在i p 核使用前，选择和评估的工 作非常重要。 i p 软核评估技术，有开发阶段的评估过程和使用阶段的评估过程。本文研究 的是使用阶段的评估工作，是非开发人员进行的评估工作。不同于开发阶段的评 估过程，非开发评估人员并不了解设计的细节。所以非开发人员的评估工作有本 身的特点，在第3 章会详细介绍本文的评估方法。 对于2 1 3 小节提出的i p 软核集成可能出现的问题，需要在评估阶段进行相应 的考查。评估阶段的贡献可以是：解决集成中可能遇到的问题；给出解决方案和 提议( 例如，集成阶段需要设计哪些接口转换器) ：评估结果数据作为后续工作 的指导( i p 软核性能指标) 。 7 j 壅銮适太堂亟兰僮论童堡筮毯星疆撞丕基碹 2 2 i p 软核复用技术现状 2 2 1i p 核复用的普遍性 一个s o c 可能包含多个i p 模块，设计者很难拥有所需的全部i p 核，所以需 要从外界获得l p 核1 6 】。 集成电路设计中采用i p 核资源可以缩短产品的开发周期，提高产品的可靠性。 全球s o ci p 核市场目前处于快速成长的阶段，据d a t a q u e s t 公司的调查结果显示， 作为半导体工业中增长最快的一部分，2 0 0 4 年全球i p 核市场规模达到1 2 7 亿美元， 增长率为2 0 7 1 9 1 。 i p 核复用的快速发展，出现了各种急需解决的问题1 9 1 。为了促进i p 核复用技 术的发展和解决出现的问题，出现了一系列i p 核相关的国际组织。1 9 9 6 年成立的 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 虚拟插座接口联盟) ，是最早出现的国际性 i p 标准组织。v s i a 目的是建立统一技术规范和标准，涉及到i p 核设计、接口、 质量、保护、交换和测试等环节【1 1 】。 2 2 2i p 核评估技术现状 v s i a 组织的质量工作组，2 0 0 3 年8 月发布了i p 质量评估标准q i p1 0 ，用于 i p 软核、i p 硬核和验证i p 核等的评估。q 1 p 是m i c r o s o f te x c e l 电子数据表格的形 式。q i p 表格以提问题的方式考查，评估者根据实际情况回答相应问题。q i p 根据 评估者的回答和问题的权值，算出总分数，由此得出i p 核质量的量化衡量。q i p 表格设置的问题主要包括：i p 核的可复用程度调查、设计质量和验证质量调查、 i p 核的成熟程度调查、i p 核供应商的评价调查几方面。每一项调查都有一系列问 题，评估者一般只需回答y e s n o 。问题的重要性级别依次排歹( 紧急类i m p e r a t i v e 、 常规类r u l e 和指南类g u i d e l i n e ) 。q i p 根据每一项问题的选择结果及问题本身的重 要程度进行打分，并以不同的颜色表示结果的优劣等级【1 0 1 。 2 0 0 6 年6 月，v s i a 发布了新版的1 p 质量评估标准q i p 2 o 。q i p1 o 是一个单 一的表格，大约包括了3 0 0 多个问题。q i p 2 0 包含了三个不同类型表格：供应商 整体能力考查表、i p 核设计团队能力和经验考查表以及i p 核本身质量考查表。 q i p 2 0 评估表格和使用指导可以从v s i a 的网站w w w v s i o r g 下载得到。表2 1 是 q i p 的i p 软核评估结果表格的部分设置。其中b 部分是相应项获得的分数，c 部 分表示了占该项总分的百分比。 j 塞銮适太堂亟堂焦论塞 堡熟援复毋挂苤基趟 表2 - 1 q i p 部分表格 t a b l e2 - 1p a r to f0 i pe x c e l abc 分数 供应商评估 供应商：供应商评估 i p 集成评估 i p 软核：易重用度 i p 软核：文档质量 i p 软核：易集成度 i p 软核：设计和验证质量 i p 软核：设计质量：设计细节 i p 软核：验证质量 国内的国家软件和集成电路公共服务平台( w w w c s i p o r g ) ，也提供了类似于 q i p 的问答打分形式的i p 核评估方法。 q i p 表格评估工具，比较直观的反映出不同重要级别问题的数目，并以量化的 结果表现i p 核的质量。q i p 表格的评估结果，对i p 核设计者和使用者有很好的指 导和参考作用。但是，q i p 评估表格设置的问题，比较适合设计人员或i p 核提供 商回答，对i p 核使用者的适应性不好。因为q i p 给出的问题涉及到i p 核的细节， 评估者需要十分了解i p 核的特性，才能很好地回答。而且，q l p 表格工具还没有 被普遍使用，用户很多时候无法获得q i p 评估结果数据。 另一方面，q i p 表格虽然对l p 核选择有很大指导作用，但对于i p 核质量十分 关心的i p 核使用者来说，q i p 表格给的质量信息并不充足。使用者希望得到更具 体的考查结果和使用指导。以基于i p 软核使用者的角度，提出i p 软核的评估方法， 有很大的现实意义和紧迫性。目前，并没有很好的针对i p 软核使用者的i p 软核评 估工具。因此，建立面向使用者的i p 软核评估方法，提高i p 软核复用效率，是很 有必要的。i p 软核使用者，对i p 软核的设计细节不了解，相应的评估方法也不同， 在第3 章有进一步分析。 9 e 塞銮适盔堂亟堂僮论塞! 筮弦证值越鲞 3 1 存在的问题 3i p 软核评估技术 i p 核的质量现状并不乐观。根据c s i p ( 中国软件与集成电路促进中心) 2 0 0 4 年一项调查，在i p 核使用和复用过程中，5 2 7 使用者认为i p 核质量难于评估， 2 3 6 使用者认为i p 核复用问题较多【1 2 】。 i p 软核同样面临着很多挑战。不同于加工厂家提供的库单元，大部分i p 软核 没有经过硅验证，其可靠性和性能都是未知的。另外，很难确定i p 软核功能的正 确性，交付项和与规范符合的程度，以及i p 软核自带的验证文件是否足够满足i p 软核本身和集成到s o c 中的验证要求。 i p 软核不同于一般的模块设计，i p 软核是一个整体的产品，除了设计文件本 身，还必须包含一些相应的文件。i p 软核的质量也依赖于多项内容的质量，包括 了以下几个方面i ”。 ( 1 ) 指导文件的质量 完善的指导文件，有助于i p 软核使用。交付项的指导文件中，应该包含模块 基本功能、接口的定义、验证策略、时序及综合策略等信息。 ( 2 ) 验证文件的质量 验证文件应包括：完整的测试向量集、足够的测试参考集、完善的验证平台 以及有效的脚本文件。高质量的验证文件，可以使i p 软核的验证简化，测试覆盖 率提高。验证文件的质量，还体现在是否可重用，或者经过少量的修改可重用于 后续工作环境中( 例如：门级验证) 。 ( 3 ) 设计的鲁棒性【7 l 一个设计糟糕的i p 软核集成到芯片中，会产生很多问题，并延误设计进度。 首先应该从软核的文档中查看关于设计兼容性、编码风格以及验证指南的相关部 分，以决定软核是否鲁棒。但是实际上，在软核没有进行硅验证之前，很难完全 证明软核是鲁棒的。 ( 4 ) 易用性 包括i p 软核文档、验证、综合脚本和集成的易用性。如何才能让使用者更加 简便的使用i p 软核，是提供者应该考虑的问题，也是使用者很关心的事情。易用 性是充分发挥i p 软核复用效率优势的要求之一。例如：易于操作的验证方法和验 证平台，有利节省i p 软核使用者时问，降低设计难度。 1 0 e 立交适太堂亟堂僮诠塞! 达弦迁值篮苤 根据以上的分析和实际的情况，i p 软核在复用时，可能存在以下一些问题_ j 。 1 交付项中提供的设计信息不完整。例如：没有功能说明或使用指南； 2 代码编写不符合规范，而且不加注释，难于读懂； 3 代码抽象级别太高，或使用不能综合代码编写，无法实现； 4 有功能缺陷，指导文档中却没有指出； 5 验证平台不完善，不便操作： 6 提供的脚本不能再使用； 3 1 1 评估目标和指标 使用可复用i p 软核进行设计，主要目的是加快设计效率，保证产品质量和降 低设计难度。降低i p 软核设计的风险，充分发挥i p 软核的效率优势，是使用者普 遍的要求，也是本文的出发点。本文i p 软核评估工作的目标是：基于i p 软核使用 者的角度，提出l p 软核评估的要求和方法，对i p 软核作相应的考查，提供评估结 果。评估工作的任务有：i p 软核的整体理解和质量等级评估( 包括所有的交付项) ： 找出被评估i p 软核使用时可能遇到的问题；解决可能遇到的问题或给出解决方案 和提议( 例如，验证平台如何复用问题) ；评估结果数据作为后续工作的指导( 性 能指标) 。 i p 软核虽然是一种软件设计，但本质是集成电路形式。因此，i p 软核应具有 与一般集成电路相似的指标，如速度、面积和功耗等，另外，i p 软核本身具有独 特性，例如使用效率性、可重用性等。一个设计良好的i p 软核应该具有这些特点： 交付项完整，方便i p 核的选择和集成；良好和便于操作的验证文件，满足用户的 各种功能验证要求：优良的性能，时序、面积和功耗等方面满足要求。 本文认为i p 软核的质量是一个多面的特性。i p 软核质量依赖于各项予质量指 标，各子质量指标又由各项次子质量指标体现和考查。i p 软核予质量指标，以及 与次子质量指标的关系如下所示。 1 易用性。反映使用者对软核理解和操作的方便性，也是j p 软核工作效率的 一种体现。与交付项的完整性、代码规范化、验证平台以及脚本文文件正确和易 操作性等有关。 2 可复用性。表明i p 软核被复用在不同设计环境中的简易性( e d a 工具之 间，目标工艺之间以及不同应用之问的移植) 。这项指标和i p 软核参数化的程度 或集成到设计流程中的简易性有关。 3 验证性能。反映验证过程的效率。与设计代码的复杂度、验证策略、验证 平台质量和各种相关脚本效率等有关。 4 综合效率。反映软核被综合实现后硬件的质量。可以从速度，面积和功耗 几个方面衡量。 图3 - 1 给出了l p 软核质量指标示意图。其中，各子质量指标之间有重叠部分。 各指标之间有联系，也有一些制约。在一定条件下，某一项的加强可能会影响另 一项的质量。例如：验证质量的提高可以提高可复用性，但可复用性的要求提高， 可能会导致验证质量难于保证。各项指标最优当然是使用者期望的目标，但实际 上在提高和考查l p 软核质量时，往往需要根据实际要求和资源作一定的权衡。 i p 软核质量指标 验证质量 3 1 2 评估方法 图3 - 1 i p 软核质量指标 f i g u r e3 - 1i ps o f tc o r eq u a l i t yi n d e x 本文在评估i p 软核时，从i p 软核交付项质量和性能质量两个角度，将i p 软 核评估过程分为可用性评估和性能评估。可用性评估主要考查i p 软核易用性、代 码正确程度以及验证文件对i p 软核核验证的完善程度。可用性评估阶段的工作主 要是：交付项考查、软核代码初步考查和i p 软核综合前仿真( 验证文件评估的一 部分) 。性能评估主要考查i p 软核综合效率和结果( 面积、时序和功耗优劣程度) 、 验证平台综合后仿真的效率以及对所使用e d a 工具的支持程度。性能评估阶段的 主要工作：软核综合、性能评估( 面积、时序和功耗分析) 和综合后仿真( 验证 平台复用性评估) 。 本文评估方法的流程可见图3 2 ，包括：交付项齐备性考查、软核代码初步检 查、综合前仿真、软核综合( f p g a ) 、综合后仿真和性能评估。本文根据软核的 e 塞銮遵盔堂亟堂僮逾塞! 里熬攘迸岱莛丕 f p g a 综合为界，将验证仿真工作分为：综合前仿真和综合后仿真。 交付项考查 j i 软核代码初步检查 l 综合前仿真 ( 验证平台质量评估) j l i ( 验证平台复用性评估) h 能坏日u 眦7 j l 性能评估卜 图3 - 2 评估流程 f i g u r e3 - 2e v a l u a t i o nf l o w 本文评估流程的主要工具为e d at 具。主要工具如下。 仿真工具：m e n t o r 公司的m o d e l s i m 综合工具：a 1 t e r a 公司的q u a r t u si i x i l i n x 公司的i s e 3 2 i p 软核可用性评估 对可复用l p 软核的最基本要求是可用性。本文规定达到可用性涵义为：文档 有助于理解、代码语法正确、验证平台容易操作和初步确定软核功能符合要求。 3 2 1i p 软核初选原则 根据系统的需求，确定i p 软核的种类之后。首先进行的工作是i p 软核的搜索。 面对来源广泛的同一类型i p 软核，怎么选择i p 软核，是使用i p 软核前需要解决 的重要问题。 在1 p 软核初选的时候，需要考查i p 软核提供的交付项内容的齐备性。如果使 j e 立交适盘堂硒堂僮逾塞 ! p 筮篮证馈拄丕 用交付项质量差的i p 软核，例如：只获得i p 软核设计文件和验证文件，却没有相 关指导文件。使用者可能需要花很大精力去理解i p 软核和摸索i p 软核的使用方法， 使得使用者设计过程效率低，出错的几率也会很大。所以，本文认为初选的一个 重要原则是交付项文件类型比较齐全。 3 2 2 交付项完整性考查 完整的交付项文件，是i p 软核可成功复用的一个重要促进因素。完整的i p 软 核交付项内容已改包括以下几种文件。 ( 1 ) 指导文档 数据手册( d a t a s h e e t ) ：内容应包括软核功能描述、应用领域、验证平台 策略和覆盖率、接口规范、综合方式说明、综合结果参考数据等方面的信 息。 用户指南( u s e r g u i d e ) ：i p 软核如何使用、如何验证、应用例子和咨询 方式。 ( 2 ) 设计文件 行为级模型文件( c 、s y s t e m c 等) v h d l 模型文件 v e r i l o gh d l 模型文件 ( 3 ) 验证文件 验证平台 测试参考标准 完整测试集 验证脚本文件 ( 4 ) 综合文件 综合脚本文件 综合约束文件 i p 软核交付项的质量问题，需要在不断的评估过程中，甚至具体的设计工作 中，才能被准确发现。i p 软核初选期间的交付项考查，是交付项质量考查的开始 阶段。交付项齐备性考查包括：交付项类型的完整性、指导文件质量考查和其他 文件的基本信息。 对指导文件的考查分为功能说明、交付项介绍、使用指导、验证指导和综合 指导各项内容。根据i p 软核的不同，用户可自定义额外的考查内容。考查内容的 质量等级分为：良( 比较详细) 、中( 基本信息) 和差( 信息不足) 。良级别应尽 1 4 e 夏交适太堂亟堂僮i 金塞! 筮毯迁值越鲞 量符合v s i a 标准，给出i p 软核支持的情况、不支持情况、修改须知或风险预测， 即i p 软核的详细信息。中级别应给出i p 软核支持情况，基本有助于用户理解i p 软核情况。差级别信息给不足，不便于用户理解。 例如本文第4 章对c 8 0 5 1 i p 软核交付项指导文件的考查结果。功能说明部分： 给出了c 8 0 5 1 i p 软核的详细指令编码，以及与一般8 0 5 1 单片机不同之处，利于使 用者快速理解该i p 软核，所以评估为良。而另一方面，验证指导部分：给出了验 证策略和验证平台介绍，但没有指明验证缺陷以及对验证过程的指导不足，所以 评价为中。综合指导和综合数据部分：c 8 0 5 1 i p 软核指导文件虽然有涉及到，但对 综合流程指导不足、数据不足，也没有涉及到综合中可能会出现的问题，所以评 价为差。 3 2 3 设计文件初步考查 经过交付项内容检查后，接着进行设计文件的初步检查。包括设计代码语法 和代码的规范考查。代码符合规范不但是i p 软核可复用性的要求，也是j p 软核设 计工作规范和质量的一个考查。核代码初步考查包括：代码规范( 包括头格式规 范、命名规范和注释规范) ；能否通过使用者的e d a 工具编译；通过分析编译结 果的e l l o r 和w a r n i n g 评定代码质量级别( 优、良好、及格和淘汰) 。最后决定是否 需要进行后续评估。 i p 软核可复用性的一个重要要求是规范化。为了促进i p 软核的流通和易复用， i p 软核提供者应该依照一定的规范，设定自己的交付项文档。国际上，v s i a 对交 付项的类型和格式制定了一些的标准1 1 1 j 。 i p 软核设计文件的规范性还体现在编码的规范。编码规范对i p 软核质量影响 很大。编码规范在r m m ( r e u s em e t h o d o l o g ym a n u a l 可重用设计手册) 中有一定 规定，主要作为i p 软核设计中的指导，不是本文设计文件规范检查的重点。本文 对i p 软核设计文件规范性考查基准为：l p 软核设计文件易理解和易交流。因此， 规定设计文件规范性考查主要包括：设计文件头部设置规范、命名规范和注释规 范。 i p 软核设计应是一个严格追求质量和规范的设计。因此，如果某i p 软核设计 文件中没有体现出对规范的要求，则该i p 软核的设计质量将得不到信任，而且增 加使用者对i p 软核理解的难度。所以，i p 软核设计文件中，对文件头部设置、命 名和注释部分的规范性考查很重要。在实际i p 软核设计中，不同的设计者习惯不 同，所以i p 软核头部的规范可能也不同。对i p 软核的规范性的要求是：能够符合 一些常用标准，避免造成使用者不便。 e 巫銮重盔堂亟堂僮j 佥塞! 邀弦置值拉苤 对于文件头部设置、命名和注释规范，本文提出一定要求。设计文件的头部 设置要求：能给出表3 - 1 所示的信息，便于使用者区分和理解；命名规范要求：i p 软核整体一致，利于理解其功能；注释规范要求：i p 软核整体一致，注释每个模 块，注释重要定义和操作。 表3 - 1 设计文件头部内容 t a b l e3 1d e s i g nf i i ch c a dc o n t e n t 在本文第4 章c 8 0 5 1 i p 软核代码初步检查中，判断c 8 0 5 1 1 p 软核代码基本符 合规范要求。以c 8 0 5 1 l p 软核的顶层文件c 8 0 5 1 v h d 为例，分析c 8 0 5 1 i p 软核规范 符合情况。以下为c 8 0 5 1 v h d 头部设置。 p r o j e c tn e ：c 8 0 5 1 一p r o j e c td e s c r i p t i o n ：c 8 0 5 1m i c r o c o n t r o l l e ru n i t f i l en e：c 8 0 5 1 v h d f i l ec o n t e n t s ：e n t i t yc 8 0 5 1 一 a r c h i t e c t u r es t r u c l l 限 lo fc 8 0 5 1 p u r p o s e：t o p - l e v e ls t r u c t u r eo fc 8 0 5 1 一s y