（微电子学与固体电子学专业论文）基于soc片上总线的ip即插即用的研究.pdf

摘要 摘要 在s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 片上系统设计中，i p 的复用以及系统的验证是s o c 系统设计的关键，p 复用的最终理想，是实现口的即插即用，这样不仅使口的利 用最大化而且可以加速s o c 系统的验证，从而缩短s o c 芯片的上市时间 ( t i m e t o m a r k e t ) 抢占市场先机。 本文主要研究内容为基于s o c 片上总线的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 即插即用 的研究，通过对s o c 系统设计中存在的问题进行分析进而引出问题的解决方法即 实现p 的标准化以及即插即用，进一步分析介绍了国际上口标准化以及即插即用 的协议，并选择比较完善并经市场验证的o c p ( o p e nc o r ep r o t o c 0 1 ) i p 协议进行 研究，提出了一种口自动封装打包的方法和一种针对o c pi p 核的验证方法和平 台并设计了相关软硬件。 本文首先对国内外p 标准化以及s o c 系统设计以及验证做一个介绍，分析了 s o c 系统设计中存在的一些问题，如总线的选择和变动给口的复用以及系统的验 证带来的各种问题。接着详细介绍开放核( o c p 口) 协议，包括o c pi p 的系统架 构，基于点对点传输的可配置的o c p 接口信号，o c p 即插即用的原理以及m 标 准化所需的标准化配置文件，并介绍了国际上比较流行的两种片上总线：a r m 公 司的a m b a 总线以及s i l i c o r e 的w i s h b o n e 总线。然后讨论了验证平台1 2 层p c b 板卡的电磁兼容设计，包括传输线效应，阻抗匹配，f p g a 之间匹配等长信号的走 线方法，以及差分时钟线的走线方法等。接着介绍o c pi p 封装软件的设计以及软 件的处理流程等。最后以s d r a m 存储器的控制口核为例，经过o c pi p 封装软 件打包后的p 核分别挂接在a m b a 以及w i s h b o n e 系统中进行实验以实现口的即 插即用功能以及口的快速验证。 关键词：片上系统，开放核协议，电磁兼容，即插即用 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h es o c ( s y s t e mo n c h i p ) s y s t e md e s i g n ，i pr e u s ea n ds y s t e mv e r i f i c a t i o ni st h e k e yt os o cd e s i g n ，t h eu l t i m a t ev i s i o no ft h ei pr e u s ei sp l u g - a n d p l a y ，s ot h a ti tn o t o n l ym a k eu s eo fi pb u ta l s oa c c e l e r a t et h es o cs y s t e mv e r i f i c a t i o n , t h e r e b yr e d u c i n g s o cc h i p st i m e t o - m a r k e tt os e i z et h em a r k e to p p o r t u n i t i e s t h i st h e s i si sa b o u ti pc o r ep l u s - a n d p l a yb a s e ds o cs y s t e mb u s ，t h r o u g h a n a l y s i n gt h ep r o b l e mi nt h ed e s i g no fs o cs y s t e ma n dp o i n t i n go u tt h a tt h es o l u t i o nt o t h e p r o b l e m i st h ei ps t a n d a r d i z a t i o na n dp l u g - a n d - p l a y ,f u r t h e ra n a l y z i n go n i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o na b o u tp r o t o c o lo fi pp l u g a n d - - p l a y , a n ds e l e c t i n go c p ( o p e nc o r ep r o t o c 0 1 ) i pp r o t o c o lw h i c hi sp e r f e c ta n dt e s t e db yt h em a r k e tt or e s e a r c h ， t h e n f i n d i n gaw a yt op a c k a g ei pa u t o m a t i c a l l ya n dt ov e r i f yo c pi pc o r e sa n d d e s i g n i n gr e l a t e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ei ps t a n d a r d i z a t i o na n dt h et e c h n o l o g ya b o u t d e s i g na n dv e r i f i c a t i o n ，a n a l y z i n gs o m ep r o b l e m si ns o cs y s t e m ss u c ha sp r o b l e m si n i pr e u s ea n ds y s t e mv e r i f i c a t i o nb e c a u s eb u ss e l e c t i n ga n dc h a n g i n g t h e ni ti n t r o d u c e s o c pi pp r o t o c o ld e t a i l l y , i n c l u d i n gt h eo c pi ps y s t e ma r c h i t e c t u r e ，o c pi n t e r f a c e w h i c hb a s e do np o 硫一t o p o i n tt r a n s m i s s i o na n dc a nb er e c o n f i g u r e d ，a sw e l la st h e p r i n c i p l e so fi pp l u g a n d - p l a ya n dp r o f i l e sr e q u i r e di ni ps t a n d a r d i z a t i o n a n dt h e s i s i n t r o d u c e ss y s t e mb u si n t e r f a c i n gw i t l lo c pi ps t a n d a r d i z a t i o nc o r e , a r m sa m b ab u s a n dt h es i l i c o r eo r g a n i z a t i o n s sw i s h b o n eb u s t h e nd i s c u s s i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t yo f12l a y e r sp c bb o a r d ，i n c l u d i n gt r a n s m i s s i o nl i n ee f f e c t , i m p e d a n c e m a t c h i n g ，t h ew a yt or o u tm a t c hl i n e si nf p g a ，a n dt h em e t h o dt or o u td i f f e r e n t i a l l i n e sa n ds oo n t h e ni n t r o d u c i n gt h ed e s i g no ft h eo c pp a c k a g es o t b c c a r ea n dt h e s o f t w a r e sp r o c e s s f l o w f i n a l l y , a st h ec o n t r o l e ro fs d r a mm e m o r yi pc o r ef o ra n e x a m p l e ，t h ei pc o r ea f t e ro c pi ps o f t w a r ep a c k a g e di sa r t i c u l a t e da ta m b aa n d w i s h b o n es y s t e mf o rt h ep u r p o s eo ft h ei pp l u g - a n d - p l a ya n dv e r i f y i n gq u i c k l y k e y w o r d s ：s y s t e m o n - c h i p ，o c pp r o t o c o l ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , p l u g - a n d - p l a y 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 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它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 说明并表示谢意。 签名： 2 型显幻一日期：沙罗年f - 月秒日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 鲴担乏丝 导师签名： 日期：枷弹妨护日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 a s i c ( 专用集成电路) 技术作为一种重要的i c 设计方法，主要适用于产品 需求量大而且市场存活周期较长的i c 产品，开发一款a s i c 芯片需要大致1 年左 右的时间，如果要生产更新换代很快的i c 产品，现有a s i c 的设计方法很难满足 市场的要求，必须从设计方法上加以改进，以p 重用为基础的s o c 片上系统设计 方法，可以使产品的上市时间极大地缩短，也能满足可配置的系统设计。随着半 导体技术的发展，在单芯片上集成上亿个晶体管来实现s o c 系统已经不成问题。 在s o c 系统设计中，口的复用以及系统的验证是s o c 系统设计的关键，复用的 最终理想，是实现的即插即用，这样不仅使m 的利用最大化而且方便并加快了 s o c 系统的验证，从而缩短s o c 芯片的上市时间抢占市场先机。 在s o c 设计中，要考虑的一个重要的问题就是d 核的互连，即当一个s o c 系 统中需要集成几十个，甚至更多的d 核时，这些核间以怎样的方式进行数据交 互是非常重要的问题，不同形式的口核互连方式直接影响到s o c 芯片的各项指标 和性能【l 】。目前s o c 设计中最常使用的p 核互连方式是采用片上总线互连，当前 比较流行的片上总线有a r m 的a m b a ( a d v a n e 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 ) 总线、m m 的c o r e c o n n e e t 总线、s i l i c o r e 公司的w i s h b o l l e 总线、a l t e r a 的a v a l o n 总线线等。当s o c 的功能需求变得越来越多时，选择什么样的总线就成为限制芯 片速度、功耗等各方面性能的一个瓶颈。在片上总线的发展中，通过增加总线的 位宽、采用流水线结构以及采用总线分层方案等在一定程度上缓解了以上问题。 然而，总线结构的不断发展却给p 核复用及s o c 设计带来了诸多不利影响。这些 不利影响主要体现在以下两个方面，一个方面是总线的技术变更可能使以前本来 支持的口核不再适用，需要对口做大量的修改甚至重新设计；另一个方面是对 s o c 的系统级设计带来很大影响，比如总线中引入灵活的数据乱序传输方式就给 系统架构及事务级( t r a n s a c t i o nl e v e l ) 设计带来很大的影响【2 】，正是针对片上总线 在p 核互连中存在的这些问题，一些国际组织提出了m 即插即用的设计理念。 o c p ( o p e l lc o r ep r o t o c 0 1 ) 协议就是为实现这样的设计理念而制定的一种完 备的m 的接口标准。o c p 标准是o c pi p 组织制定的一种为提高p 核的复用以及 电子科技大学硕士学位论文 实现m 核的即插即用而提出的核的标准。现如今，s o c 芯片设计不再是门级的 设计，而是p 核复用及其接口的设计问题。p 核要集成到一个s o c 系统中，要考 虑的问题有很多，例如系统各个d 模块间的数据同步操作等，不同的口核模块间 可能使用的协议是不一样的，这样还必须额外考虑总线协议转换的问题，这些问 题给d 复用带来了难题，增加了p 复用的成本，使得s o c 芯片的t i m e t o - m a r k e t 时间延长【3 】。为解决这些问题，一些大公司提出了自己的s o c 总线接口标准，意 图将接口协议统一化，比如a r m 的a m b a 总线。但i p 核的功能是多样的，使用 完全相同的总线接口不可能满足所有不同性能要求的i p 核的通信要求，这就意味 着，如果专为总线a 设计的一个p 核要移植到另一系统所采用的总线b 上，就需 要更改此口的接口以及数据交换的方式，如果设计者还不了解总线b 的数据通信 协议，还必须重新学习这些通信协议，这样的话对s o c 系统的开发带来了很大困 难， o c pi p 正是针对这些问题而提出的，免费的、独立于具体总线的协议，它将 软件中的套接口( s o c k e t ) 的概念应用到口核接口设计中来，提供了一种具有通 用结构的可配置的接口协议，由于采用点对点的通信方式，它完全能满足各类口 核通信方式的要求，从而加快了球核与系统的集成。o c pi p 协议使口核的功能 与总线的通信方式无关，系统开发人员不需要深入了解i p 核的功能也不需要深入 了解总线的通信协议也能利用口核进行系统设计，同时o c pi p 核的开发可以与 s o c 系统设计相对立，并行进行，节省了设计时间。 o c pp 是一种被实践证明了的可用的m 标准，成功运用的实例有t i 公司的 o m a p 2 4 0 2 移动多媒体处理器，它包含了3 3 0 m h z 的a r m l 1r i s cc p u 和2 2 0m - h z 的t ic 5 5d s p ，内含a r m 7 的成像和视频处理器，以及支持1 6 6m h z 移动d d r s d r a m 的i m a g i n a t i o nt e c h n o l o g i e s 公司3 d 图形处理器。o m a p 2 4 2 0 是一款多内 核设计的芯片，t i 早己明确表示，今后将根据应用需求支持尽可能多的内核。这 样看来，并行处理或多内核处理已经成为未来在手机应用领域的发展方向。而内 核的增多意味着设计方法也需要改进，在这款芯片设计中，t i 就使用了o c pi p 互 连方法，加快了芯片的设计。o c pi p 标准在国外为越来越多的公司所接受，而在 国内还没有相关的研究或者运用，所以研究i p 的即插即用以及相关的标准有着重 要的意义。 2 第一章绪论 1 2s o c 设计中的关键技术 现代集成电路工艺的发展，使集成电路的集成度越来越高，硅工艺达到o 2 5 微米也就是深亚微米以下，会带来许多重大的问题，体现在时序收敛，设计能力， 物理属性三个方面。在解决这三个问题的同时也带来了s o c 片上系统的发展，s o c 是指在一片硅片上同时实现信号处理，存储，处理和i o 等功能，从而使这样单个 的芯片构建成为一个完整的系统，在现代s o c 设计中，口核重用，系统验证和测 试，低功耗设计取代以前的底层问题成为了设计中的关键技术。 1 2 1lp 核重用技术 s o c 芯片是很复杂的系统芯片，它的复杂性在于不仅需要开发出相应的芯片， 还需要开发一系列的系统配套软件等，设计人员如果分工合作不好，很容易就会 导致设计的失败，电子产品的更新换代周期不断缩短，而s o c 设计时间却在不断 增加，这就产生了矛盾，要解决这一问题，就要摈弃传统的设计方法，使用i p 设 计复用等新的设计方法和理念，i p 设计复用是将经过验证的各种单元模块制作成 标准口核，而在以后的设计中直接使用，不需要任何改动，使得影响芯片设上市 时间的主要因素变成了口的复用率，而且直接调用口核能避免重复劳动，大大减 轻了工程师的负担，因此使用p 核是一个发展趋势。 口核通常包括三种类型：即硬口核，软礤核和固口核，硬口核的版图布局 以及流片工艺都是固定的，优化了功耗、面积和性能等参数，并映射到特定厂家 的工艺库，由于硬p 核必须由特定工艺来实现的，所以通常以g d si i 文件格式的 形式给出。硬d 核可以再使用，由于它已处于芯片设计流程的最底层，因而集成 最容易，成功率也最大。硬p 核的最大的优点是可以确保流片生成以后的芯片性 能，如速度、面积、功耗等。然而，硬d 核也存在一些缺点，比如如果厂商的加 工工艺变动，则硬m 核就不可再次配置使用了。软口核是将r t l 综合后的形式 交付的m 核，所以必须在综合时指定的目标工艺中实现，由于源代码的灵活性， 所以软p 核的优点就是具有相当的灵活性，它可以将设计重定于别的器件库工艺， 由于软p 核的设计以较高层的形式给出，因而软m 的可重用性比硬p 核强，更 加易于重定目标工艺，然而要保证改动后的软d 核的时序、面积与功率等性能指 标非常困难。固口核则是综合软核和硬核两者优缺点的折衷，大多数可应用于 f p g a 设计的口核大都是软口核，用户可以调整软口核的各项参数从而增强了 3 电子科技大学硕士学位论文 软口核的重用率，软妒核实际的r t l 级的源代码是不可见的，但它的布局布线 非常灵活，用户甚至还可以通过各式的配置文件或者图形用户接口界面( g u i ) 方 便地对参数进行改变，对于很多对性能要求非常高的p 核( 如u s b 、p c i e 等高 速接口i p 核) ，可以通过预布线以及指定综合资源的方法来确保综合后的设计时 序满足设计要求，这些指定了布局布线方式的口核称之为固i p 核f 4 】。 1 2 2s o c 的验证和测试技术 s o c 系统设计集成相当复杂的电路系统，这些系统不仅包括各种硬件还包括 了各类的软件，在传统的s o c 设计方法中，硬件和软件这两部分的设计是分开进 行的，最终的软硬件整合是在硬件流片之后才进行，一旦两者整合出现问题，而 且问题不能通过软件方的修改来解决，那就只有重新设计硬件并重新流片，不仅 影响了芯片的上市时间还增加了额外的成本，为解决这个问题，在现代s o c 设计 中一般都采用软硬件协同验证的方法来进行系统设计和验证，这种设计方法可以 使软件设计者在硬件完成之前就更多地接触并考虑到硬件端的功能，从而可以更 好地把握软件端针对硬件的应用程序设计等，增加了设计的成功率。在s o c 设计 中包含了各种各样的验证技术，主要的验证技术可大致分为：动态仿真技术、静 态时序分析技术和形式验证技术等。一般来说，根据验证方法的各自的优缺点， 在s o c 设计的不同阶段采用不同的验证方法来对设计进行验证，以保证设计的正 确性。 动态仿真技术是s o c 验证的主要方式之一，从仿真的抽象层次来看，它包括 基于事件的仿真技术、基于周期的仿真技术和基于事务的仿真技术。在基于事件 的仿真技术中，仿真器把输入激励的每个变化都处理成仿真事件的触发，在每个 仿真时间内处理一个事件触发。根据仿真事件触发的结果对整个设计重新设计直 到仿真正确。基于事件的仿真特点是可以同时兼顾设计的功能和时序的正确性， 仿真结果非常精确。但是，基于事件触发的仿真方法要使用复杂的数学算法，导 致仿真效率相当低，一般只有1 0 h z 至1 0 0 h z ，不适合对规模较大和复杂度较高的 s o c 系统进行仿真。为了提高仿真的效率，出现了基于周期的仿真技术，基于周 期的仿真器在一个时钟周期内不存在时间的概念，只是在时钟的有效沿( 上升沿 或者下降沿) 触发仿真，因为在一个时钟周期内只对系统单元进行数学运算一次， 相对基于事件的仿真来说，这就显著提高了仿真器的效率，基于周期的仿真方式 的仿真速度一般是基于事件的仿真方式的1 0 0 倍。但是，基于周期的仿真方法只 4 第一章绪论 在时钟的有效进行模拟计算，这可能会导致反正错误的出现，而且基于周期的仿 真技术只适用于时钟沿同步电路。为提高仿真效率，出现了基于事务的仿真技术， 通过总线功能模型b f m ( b u sf u n c t i o nm o d e l ) 对信号的时序进行抽象和封装，可 以忽略系统的具体的时钟周期，并以事务为单位来传递仿真激励，比如总线中的 读写操作，一个读写操作就是一个事务，但一个读写事务中可能包含上百个的时 钟周期，因此它的仿真效率比基于周期的仿真效率要高的多。 静态时序分析是一种静态的仿真方式，不需要加载测试激励就可进行，它是 按照时序同步电路设计的要求，根据产生的电路网表的拓扑模型计算电路中各个 触发器的保持时间( h o l dt i m e ) 和建立时间( s e t u pt i m e ) ，以及组合逻辑路径的 时延是否满足系统的时钟要求，它只适用于对同步时序电路进行时序上的验证， 但在功能上不能保证设计的正确性。 s o c 设计对芯片的测试方法也提出了新的挑战，s o c 芯片的结构和互连关系 更加复杂，芯片的测试开销已经占据了芯片研制开销的一半以上，对s o c 系统已 经不能采用单一的测试方法，目前的测试方法主要包括内建自测试 ( b u i l t i n s e l f - t e s t ，b i s t ) ，全扫描方法，自动测试向量生成( a u t o m a t i ct e s tp a t t e r n g e n e r a t i o n ，a t p g ) ，联合测试行动小组( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，j t a g ) ，边界扫 描等技术等【孓7 1 。 1 3 $ 0 0 设计标准化以及国内外发展情况 目前很多大公司都制定了自己的公司内部s o c 标准，但随着技术的不断发展， 口模块的广泛使用和越来越多的e d a 工具的出现，这些内部的标准已经不能再满 足s o c 设计的需要，甚至对s o c 技术的发展产生了阻碍，这也意味着s o c 设计的 标准化、通用化。 随着口标准化的发展，使得s o c 的设计在很多情况下只是互连的设计，出现 了各种s o c 片上总线，片上总线的意义在于规范了s o c 中各口核间的互连以及 数据交互的标准，对于大规模s o c 设计而言总线性能意味着系统性能。实现片上 总线技术一般有两个方法，一是选用国际上通用的成熟的总线架构，二是根据特 定领域的需要开发出满足自己需求的总线互连。 一个口模块不管是由专门的厂商设计还是由第三方设计者开发提供，都必须 是可重用的口模块，尽管如此，没有支持这个p 的标准化文档、可测性设计和模 块验证等，其他人想要再次重复使用这个p 核是很困难的。而且许多口核在设计 电子科技大学硕士学位论文 之初都是针对特定方面的应用，而很少考虑到要与其他功能d 核搭配使用。口核 本身也存在缺陷，这些缺陷也会给p 核复用带来了很多问题，比如口核的接口和 s o c 系统中使用的片上总线不能匹配衔接，提供的设计文档不够详细、技术支持 不够及时等等。总之，一方面基于s o c 总线的口核开发必须要有i p 的标准规范 作为封装口核的标准，使开发的标准i p 核能最快的集成到各类s o c 总线上。另 一方面，在i p 核复用时，很难直接把要使用的p 核直接放到s o c 系统总线上去 集成，所以如何将口核直接集成到s o c 中以增加口的复用率是在开发过程中必 须解决的问题。可以通过两种方案解决i p 的复用率问题，一种是采用标准的总线 协议架构( 如a m b a 的a h b 总线) ，另一种是制定种完全通用的总线接口来 满足所有的设计需求。单一总线架构方案相对来说简单易行，但是s o c 系统性能 要求差异极大，单一总线方案不可能提供给所有的设计者以最优的解决方案，因 此多数情况下，s o c 设计者会根据系统的需要而选择最适合自己的片上总线，所 以发展出通用的口封装标准而不限制总线的使用是相对理想的解决方法。目前， 国际上几个著名的组织先后提出了自己的解决方案，比如虚拟插座接口联盟v s i a ( v i r t u a ls o c k c ti n t e r f a c em l i a n c e ) 提出了虚拟器件接e l ( v c hv i r t u a lc o m p o n e n t i n t e r f a c e ) 标准，开放式内核协议国际联盟o c pi p ( o p e nc o r e p o r t o c o li n t e r n a t i o n a l p a r t n e r s h i p ) 则以s o n i c s 公司的o c p ( o p e nc o r e p r o t o c 0 1 ) 接口规范为基础，提出 了o c pi p 协议标准，目的是为即插即用( p l u ga n dp a l y ) 的s o c 设计提供一套完 整的通用的标准套接口，把o c p 发展成即插即用的接口标准。o c p 与v s i a 联 盟的v c i 接口标准在某些方面有些类似，但是由于v c i 标准太抽象且相应的技术 支持很缺乏，因此相对于v c i 接口，o c pi p 接口在实用性以及性能方面都存在一 定的优势，而且o c pi p 组织不仅提出了自己的i p 核标准接口，而且还开发了相 应的e d a 工具( c o r e c r e a t o r 工具) 允许o c p 组织的会员免费使用并提供技术支 持，这使得o c pi p 协议的发展比v c i 更加流行和完善。除此之外，思科( s y n o p s y s ) 公司和明岛( m e n t o r ) 公司合作开发了著名的o p e n m o r e ( o p e nm e a s u r eo f r e u s e e x c e l l e n e ) 协议，一些开发和销售口的公司也于1 9 9 6 年成立了可复用特定应用知 识产权开发协会( 黜廿i d ) ，其目标是通过建立相关的准则，鼓励协会成员在电 子行业内或与产业标准组织合作时采用良好的商业和设计惯例，使设计人员更轻 松地使用p 。 随着中国国内集成电路产业的迅猛发展，越来越多的企业开始关注进入d 产 业，由于国内企业在集成电路产业方面起步较晚，并且国内集成电路产业环境相 对国外来说不算完善，这些都在一定程度上减缓了口核产业的进程。在信息产业 6 第一章绪论 部的主导下，从国内的实际情况出发，一些企业和研究所开始着手建立实用性的 口核标准体系，使i p 标准化实到实际应用中，解决了口核标准大范围推广的问题。 目前，我国己经有多家企业和组织成为虚拟插座接口联盟( v s a i ) 或开放式内核 协议国际联盟( o c pi p ) 的会员，参与p 核接口国际标准规范的制定，例如上海 硅知识产权交易中心( s s i p e x ) 己经成为o c p 1 2 的会员并与该组织展开了紧密 的合作 8 1 。 1 4 本课题的研究内容 本文主要研究内容为基于s o c 片上总线的口即插即用的研究，通过对s o c 系 统设计中m 集成的困难以及验证难的问题进行分析，进而引出问题的解决方法即 实现口的标准化封装，并提出了一种基于o c pi p 协议的口自动封装打包的方法 以及针对0 c pi p 核的验证方法并设计了相关软硬件平台。 论文主要内容包括以下五个部分：第一部分是对s o c 设计中的关键技术进行 分析介绍，并介绍了国内外口标准化的状况，分析了口复用存在的问题。第二部 分详细介绍o c pi p 协议，包括o c p1 2 的系统架构，基于点对点传输的可配置的 o c p 接口信号，基本传输以及乱序传输方式，o c p 即插即用的原理。第三部分分 析了片上总线相对于传统总线的特点，介绍了国际上流行的两种片上总线：a r m 公司的a m b a 总线以及s i l i c o r e 公司提出的w i s h b o n e 总线，介绍了两种总线的特 点以及通信方式。第四部分介绍o c pi p 封装软件的原理以及软件的处理流程等。 然后研究了所用实验平台十二层p c b 板卡的电磁兼容设计，讨论了传输线效应， 阻抗匹配等高速电路p c b 设计的理论知识，分析了如何确定实验平台十二层板卡 的物理参数以满足高速信号的走线要求以及f p g a 之间匹配等长信号的走线方法， 差分时钟线的等长走线方法。第五部分根据a m b a 总线以及w i s h b o n e 总线的传 输特点，结合o c p 的时序设计了两种总线上的o c pi p 接口，并研究了s d r a m 的结构编写了s d r a m 芯片的控制口核，以该s d r a m 存储器的控制i p 核为例， 通过实验验证了该软件的实用性以及实验平台的快速验证方法的可行性。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章0 c p lp 协议以及即插即用原理 o c pi p 协议在2 0 0 1 年正式推出，并由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 l p a r m e r s h i p ) 开放式内核协议【9 】国际联盟负责支持、维护和发展。o c pi p 是一个独 立的、非营利的半导体工业联盟，致力于扶持、促进和提高开放式内核协议的管 理。o c p i p 的使命是为s o c 产品设计常见的口复用问题提供设计、验证和测试。 o c pi p 通过在系统级设计中实现i p 即插即用，从而达到为s o c 设计缩短上市时 间、降低风险节和约制造成本的目的。o c pi p 协议由各个会员的年费来支持运作， 会员包括集成电路设计公司、晶片代工厂、系统设计公司、e d a 供应商等。该协 议使得口核的集成不依赖于特定处理器内核和总线互连，只要i p 接口符合o c p 协议，即使将处理器和片上总线换掉，也不需要重新设计或者改动口核，应用非 常灵活。通过o c p 协议，口核设计者可以方便地通过口授权协议就可以让口核 可重用于其他公司设计的s o c 中，而不需要大量的技术支持，极大地促进了第三 方口的授权和使用，具有广阔的市场背景。 2 10 c p 即插即用原理 o c p 采用一种套接口( s o c k e t ) 的方法实现口核的即插即用，如图2 1 所示， t a r g e t b u s a 表示总线a ，t a r g e t b u s b 表示总线b ，不论总线a 或者总线b 是哪一 类总线协议，只要总线上提供了o c p 的接口，那么符合o c p 协议的砰核就可以 随意集成到任意总线上去，而不需要重新设计口核的接口。 1 i r 二1 l r 乜9 惶璺曼! 剀 图2 - 1o c p 套接口 8 圆胃 第二章o c pi p 协议以及即插即用原理 o c p 协议定义了两个通信实体间点到点的接口。其中一个实体作为通信 的主体( m a s t e r ) ，另一个作为从体( s l a v e ) 。只有m a s t e r 可以发命令，s l a v e 响应m a s t e r 的命令，接收或发送数据。封装接口模块必须担当每个连接实体 的对应端，当连接实体是m a s t e r 时，封装接口模块就作为对应的s l a v e ；当连 接实体是s l a v e 时，封装接口模块作m a s t e r 。 图2 2 0 c p 系统架构 o c p 的系统架构如图2 2 所示。图中有三个i p 核，其中左边标有i n i t i a t o r ( 主 控) 的m 核是通信的发起方或者主控方，称为m a s t e r ：最右边标有t a r g e t 的是通 信的目标对象，称为s l a v e ：中间的口核的既可作为m a s t e r 又可作s l a v e ；下面的 框图代表o c pi p 封装接口模块；从m a s t e r 出来并进入s l a v e 的箭头表示o c p 请 求命令，从s l a v e 出来并进入m a s t e r 的箭头表示o c p 的响应。两个p 核通过接口 通信的过程是：功能为m a s t e r 的口核发出请求命令给对应的s l a v e 端( 总线封装接 口模块) ；封装接口模块将请求命令转换成对应的总线命令传送给接收方的总线封 装模块；接收方的总线封装模块再作为m a s t e r 把对应的内部总线传输转换成标准 的o c p 命令传送给目标口核，目标p 核接收到命令并响应命令和返回读写的数 据。 2 20 c p ip 信号 o c p 协议中规定的通信信号包括三大类：数据流信号( d a t a f l o ws i g n a l s ) 、 9 电子科技大学硕士学位论文 边带信号( s i d e b a n d ) 、测试信号( t e s ts i g n a l s ) 。数据流信号主要包括：基本信 号( b a s i cs i g n a l s ) 、简单扩展信号( s i m p l ee x t e n s i o n ss i g n a l s ) 、突发扩展信号( b u r s t e x t e n s i o n ss i g n a l s ) 、标签扩展信号( t a ge x t e n s i o n s ) 和线程扩展信号( t h r e a d e x t e n s i o n ss i g n a l s ) 。边带信号主要包括：复位( r e s e t ) 、中断( i n t e r r u p t ) 、错 误( e r r o r ) 等信号。测试信号主要包括用于支持扫描( s c a n ) 、时钟控制和i e e e 1 1 4 9 1 ( j t a g ) 的信号。基本信号是o c pi p 协议里最基本也是最常用的信号，表 2 1 是o c p 协议基本信号列表。 表2 - 1o c p 协议基本信号列表 信号名 位宽驱动源功能描述 c l k1 其他时钟 e n a b l e c l k1 其他时钟使能 m a d d r 可配置 m a s t e r 地址 m c m d3m a s t e r 命令 m d a t a 可配置 m a s t e r 写数据 m d a t a v a l i d1m a s t e r 写数据有效 m r e s p a c c e p t 1 m a s t e rm a s t e r 接收响应 s c m d a c c e p t 1s l a v e s l a v e 接收响应 s d a t a 可配置 s l a v e 读数据 s l a v e 接收数据响 s d a t a a c c e p t 1s l a v e 应 s r e s p 2s l a v e 传输响应 简单扩展信号是对o c pi p 基本通信信号的扩展，增加了o c p 接口地址空间、 字节使能以及各传输阶段口核的额外信息等，具体如表2 2 所示。 表2 - 2o c p 协议简单扩展信号列表 信号名位宽驱动源功能描述 m a d d r s p a c e 可配置m a s t e r地址空间 m b y t e e n 可配置m a s t e r 响应阶段信号使能 m d a t a b y t e e n 可配置 m a s t e r 握手阶段字节使能 m d a t a i n f o可配置m a s t e r 写数据的额外信息 m a s t e r 传输响应额 m r e q l n f o 可配置m a s t e r 外信息 s d a t a i n f o 可配置 s l a v e读数据额外信息 s l a v e 传输响应额 s r e s p l n f o 可配置s l a v e 外信息 突发扩展信号用来支持o c pi p 核的突发传输模式，从而允许o c pi p 核间多 1 0 第二章o c pi p 协议以及即插即用原理 个数据的高效传输，并定义了突发地址相关性，具体如表2 3 所示。 表2 - 3 突发扩展信号列表 信号名位宽驱动源功能描述 m a t o m i c l e n g t h 可配置 m a s t e r 传输最小长度 m b l o c k h e i g b t可配置 m a s t e r 二维块传输高度 m b l o c k s t r i d e 可配置m a s t e r二维块列偏移地址 m b u r s t l e n g t h可配置 m a s t e r 突发长度 m b u r s t p r e c i s e1m a s t e r 精确突发传输 m b u r s t s e x l 3m a s t e r突发地址序列 m b u r s t s i n g l e r e q 1m a s t e r 突发使用单个请求 突发传输最后的写 m d a t a l a s t1m a s t e r 数据 m d a t a r o w l a s tl m a s t e r列中的最后写数据 突发传输最后的请 m r e q l a s t 1m a s t e r 求 m r e q r o w l a s t 1 m a s t e r列中的最后请求 s r e s p l a s t 1s l a v e突发传输最后响应 s r e s p r o w l a s t 1s l a v e 列中的最后响应 o c pi p 协议的一大特色是支持高性能总线的乱序传输模式，使总线的性能得 到了很大的提高，o c pi p 协议中乱序传输是通过标签( t a g ) 和多线程( t h r e a d ) 的方式实现的，t a g 是指接收端常常按照o c p 主机端引起需求的顺序将响应反馈 给由主机提出的需求，然而有些时候，由o c p 的接收端来决定何时向o c p 发送端 传递反馈更具意义，t a g 可以被用于直接连接由导致o c p 接收端反馈的最初需求 和反馈，在很多情况下，使用t a g 能够提升整个系统的表现。而t h r e a d 是一请求 序列，请求之间的顺序一直保持不变，所以单个t h r e a d 间永远不会乱序发送请求、 执行和响应。标签和线程间的区别在于：在提供无序响应方面，t a g 相对于t h r e a d 可以被认为是轻量级选手。特别地，若干t h r e a d 为每一根t h r e a d s 提供独立的流 控制，而t a g 却用单一共享的信号控制所有的t a g 。并且，在处理t h r e a d 时不必 遵守排序规则，而在处理t a g 时却不能打乱顺序。最后，每一根t h r e a d 都必须插 独立的缓冲器，而t a g 却不需要，因为对所有的t a g 而言，流控制信号是共用的。 标签扩展信号以及线程扩展信号如表2 4 和表2 5 所示。 电子科技大学硕士学位论文 表2 _ 4 标签扩展信号列表 信号名位宽驱动源功能描述 m d a t a t a g i d 可配置 m a s t e r 写数据标签排序名 m a s t e r 响应排序标 m t a g l d 可配置 m a s t e r 签名 不需要重新排序请 m t a g i n o r d e r 1m a s t e r 求 s l a v e 响应排序标 s t a g l d 可配置 s l a v e 签名 响应不需要重新排 s t a g l n o r d e r 1s l a v e 序 表2 5 线程扩展信号列表 信号名位宽驱动源功能描述 m c o n n l d可配置m a s t e r 连接标记 m d a t a l l l r e a d l d 可配置 m a s t e r 写数据线程标记 m t h r e a d b u s y 可配置m a s t e r m a s t e r 线程忙 m t l l r e a d l d 可配置m a s t e r请求线程标记 s d a t a t h r e a d b u s y 可配置s l a v e s l a v e 写数据忙 s t h