（计算机应用技术专业论文）基于龙芯soc的usb主机控制器的设计研究.pdf

山采科技太学硕士学侥论立j i 砑监 摘要 踺着集成电路的趣深娅微米制造技术、设计技术的迅速发展，集成电路设计出现r 将罄个电子系统黛成在单个芯片上的技术，即“片上系统( s y s t e m o nc h i p - s o c ) ”。s o c 技术显著地提高了芯片的集成度，缩短了疆计周期。s o c 设计技术通过知识产权模块 ( i n t e 】1e c t u a lp r o p e r t y ，i p ) 的复用达到高生产率，因此商效、快速的集成i p 核是 s o c 设训成功的关键。本论文u s b 主机控制器i p 是8 6 3 项目“高速3 2 位嵌入式处理器”一 龙芯so ( 1 甲台的一部分，在该平台内部以两缎总线架构，集成了p c i ，u s b ，s d r a m ，d m a ，l c d 和ij a r t 等t p 模块，其中u s b 总线接| = ：_ 1 i p 模块是用于将外设u s b p b 围设各连接到主系统的外 部总线接口，主要焉于中低速外设。 本文首先介绍了e d a ( e l e c l r o n i c sd e s l g la u t o l 1 l i o n ) 的基本概念以及当前集成电 路的设计流程、设计工具和设计语言，提出舞分析了软硬件协同设计和验匪的力法的可 行性。简要介绍了中科s o c 体系的架构的实现，以服基于i p 的s o c 设计技术。 接下来率文从总体上介绍了整个u s b 体系。主要涉及到u s b 体系布局、u s b 的总线协议、 u s b 数据结构、以及u s b 支持的四种数据流模型等，同时指出了主机控制器在整个1 i s b 系统 中的重要作用，分析了u s b 总线传输性能。给出了所要实现的主机控制器接f 的功能，所 设计的开放式主帆控制器接口的主要特点：僖输时润安排、传输机制、主要的通信通道等。 馒后一部分是本文的熏点：基于o h c i 规范的u s b 主机控制器i p 的实现。利用软硬件 协同设诗和验证的方法，在中秘s o c 的开发环境下完成了u s b 主机控制器的设计和验证。 详细介绍了u s b 主机控制器的软硬件接| _ _ _ 【的划分，控制器内部模块的划分，备模块的设 计实现。给出在e d a 环境f 的功能验证方法鞠结果，并在f p g a 的验证中调试了l i 1 a x 下 的ij s b 驱动，实现_ ：r 对u s b 鼠标，键盘和u 盘等真实设备的支持。 关键词s o c i p u s b 主机控制器软硬件协同设计与验证 山末科技大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td 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 ya n dd e s i g nt e c h n o l o g y t h e s o c ( s y s t e mo nc h i p lw h i c hi n t e g r a t et h ew h o l es y s t e mo i lac h i pa p p e a r s1 1 1i cf i e l d t h e s o l u t i o no fs o ch a sd r a m a t i ci m p r o v e dt h ei n t e g r a t i o no fc h i pa n ds h o r t e n e dt h ep e r i o do f d e s i g nt h eh i 曲e rp r o d u c t i v i t yo fs o cd e s i g nm e t h o d o l o g yb a s e so ni p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) b l o c kr e b s c t h ek e yi s s u eo fs u c c e s s f u ls o cd e s i g ni st h ee f f e c t i v e , r a p i di pi n t e g r a t i o nt h e w o r ko ft h i sp a p e ri ss u b l ) r o j e c to f a d v a n c e d3 2 - b i t se m b e d d e dp r o c e s s o ra n ds t u d yo fs o c p l a t f o r md e s i g n ”w h i c hp l a t f o r mh a sb e e nr e a l i z a t i o nw i t ht w ol e v e lb u s ，h a si n t e g r a t e d m m l yi p s ，s u c ha sp c i ，u s b ，s d r a m p m a , a n dl c dt h eu s b h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c ea c ta s a r li m p o r t a n tp e r i p h e r a li n t e r f a c ei nt h es o c ，w h i c hc o m m u n i c a t ew i t hu s bd e v i c e sf o rt h e s y s t e r n f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rg i v e st h eb a s i cc o n c e p t i o n so fe d a , p r e s e n td e s i g nf l o wa n dt h e d e s i g nt o o l sa n ds oo na f t e rw ed i s c u s sa n da d v a n c et h eh a r d w a r e s o f t w a r ec 0 一d e s i g na n d v e r i f i c a t i o n ，w ei n t r o d u c eo u rs o cp l a t f o r mw h i c hn a m e di c t - e 3 2a n dt h et e c h n o l o g yo fs o c d e s i g n t h e nt h i s p a p e ri n t r o d u c et h eu s bs y s t e ma saw h o l e u s bp h y s i c a la n dl o g i c a l t o p o l o g y , u s bp r o t o c o l ，u s bd a t as t r u c t u r e ，a n du s bd a t af l o wm o d u l ea r e la l li n v o v e l e dt h e i m p o r t a n c eo f h o s tc o n t r o l l i nt h eu s bs y s t e mi sr e m a r k a b l ea sw ec a ns e ew ea l s og i v et h e f u c t i o n so fh o s tc o n t r o l l e ra n dt h em a i nf e a t t l r e so fo h c hc o m m u n i c a t i o nc h a r m e l s d a t a s t r u c t u r e ，b a n d w i t ha l l o c a t i o n t h el a s ti st h ee r e p h a s i s ：t h ed e s i g no fu s bh o s tc o n t r o l l e rt h a ti sb a s e do no h c i s p e c i f i c a t i o n t h ed e s i g ni sc o m p l e t e dw i t hh a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g na n dv e r i f i c a t i o n a f t e rt h eh a r d w a r ei n t e r f a c ei sg i v e ni nd e t m l ，w eo f f e r e dd e m i l e dd e s i g nd e s c r i p t i o no f s u b ，m u d u l ea n ds t i m u l a t i o nr e s u l t k e y w o r d ：s o c ，i p ，u s b ，o h c i ，h a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g na n dv e r i f i e a f i o n 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名： 日 a f f i r m a r i o n 喊甲 例皇 id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ea w a r do fm a s t e ro fp h i l o s o p h yi ns h a n d o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y , i sw h o i l ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e t h e d o c u m e n th a sn o tb e e ns u b m i t t e df o rq u a l i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i c i n s t i t u t e s i g n a t u 心：斌t 警蠢、 d a t e ： 伽忒印。 系 胁 山东科技丈学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 研究背景与意义 集成电路( i c ) 设计能力的增长一直落后于上艺水准的提高。随着工艺技术的发展， 特别是进入深亚微米( d e e ps u b m i c r o n ，d s m ) 、超深亚微米( v d s m ) = 艺阶段之后， 这种状况就更加突出。而另一方面，消费娄电子产品、通讯产品正在成为市场的热点， 并且大约半年左右就更新换代一次。这就需要j 高片有更多的功能、更低的价格和更短的 r 市时间。在这种情况下，系统芯片( s y s t e m ，o i l a - c h i p ，s o c ) 技术应运而生。 1 9 9 5 年d a t a q u e s t 对s o c 的定义是：包括一个或多个计算引擎( 微处理器微控制器 或数字信号处理器) 、至少1 0 万门的用户门以及相当容量的存储器。随着s o c 技术的不 断发展，最初s o c 的概念已被大大扩展。包括通信、媒体处理等在内的各种专用口被 集成到芯片中，例如以太网m a c 、r f 部件、u s b 、v g a 和m p e g 等。针对s o c 的最 新发展，可以定义s o c 为：在一个芯片上由于j 泛使用1 i “( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核得 以快速开发的专用集成电路。 虽然s o c 设计方法学取得了很大进展，但还是有很多尚未解决的问题。首先是系统 集成的问题。s o c 设计区别于传统a s i c 设计的重要一点即广泛的设计复用，硬件设刊 的重心从单个模块的设计转移到了整个系统的集成，所以集成技术的研究成为重点；第 ：是验证的问题。由于s o c 设计规模很大，验证工作的难度远大于传统a s i c 设计。目 前芯片一次投片成功率不高，丰要原因就是验证不够充分。随着设计规模的增大，验证 技术已经明显落后于设计和制造能力，形成了个验证鸿沟，而且这个鸿沟还在不断扩 大，使模拟和验证成为整个设计流程的瓶颈，给提高设计生产率造成了障碍，因此如何 更快更好的完成验证工作是目前业界所关沣的问题；第三是软硬件协同设计的问题。s o c 设计要求尽可能短的设训周期，因此软件设计不可能与硬件设计分割，必须并行的进行， 同时s o c 包含处理器模块，可以通过编写软件对砰和系统互联进雾验证，因此软硬件 协同设计也是验证工作的部分；v d s m 的制造工艺也给s o c 设计带来新的挑战。 在a s i c 设计中也采用设计复用的概念，标准单元库就是a s i c 设计复用的单位。 但是s o c 设计将复用的层次提升到功能模块的级别。这些模块都曾是具有完整功能i c 产品，广泛用来与其他功能块一起在p c b 上构成系统的主扳。现在我们把这种方式应用 剑s o c 设计中，把已经过验证的i c 电路以模块的形式集成到s o c 芯片中从而缩短设 生查型苎查竺堡主兰丝笙苎 塑婆 计时l 捌。这些已验证的、可重复利用的、只有某种确定功能的t c 模块即p 。采用基十 i p 集成的、歧计方法使得s o c 设计师的工作不必从零丌始，可以直接利用成熟的设计，消 除了在单个模块没计验证上的风险与消耗，提高了设计的起点，因此开发和掌握具有自 主知识产权的口核是缩短s o c 设计周期、降低设训风险的关键。 中科s o c 足得到8 6 3 立项支持的由中科院计算所开发的款高性能3 2 位嵌入式 c p u 。它内部集成龙芯一号3 2 位m i p s c p u i p 、自定义片内互连结构以及丰富的外围功 能l p 。其中片内互连结构为二级总线结构：a p b ( a d v a n c e d p r o c e s s o r b u s ) 为一级总线， 是一种片内高速总线，连接龙芯号c p u 、s d r a m 、p c i 、d m a 等模块，l c d 摔制器 与d m a 连接；o p b ( o n c h i p p e r i p h e r a l b u s ) 为二级总线，是一种片内外设总线，连接 u s b 、u a r t 、r t c 等模块；a p b 与o p b 之问通过桥接器实现同步。为了创建中科院计 算所的口数据库，降低成本投入，本课题所采用的功能口全部自行设计和验证，具各 自主知识产权，本课题“基于中科s o c 的u s b 主机控制器口核的设计研究”正是本项 目的个组成部分。 1 2 本课题国内外研究现状 1 2 1 、片上系统( s o t ) 以及l p 棱开发现状和发展的研究分析 系统级芯片又称片上系统，是2 0 世纪9 0 年代中期出现的概念，它是微电子技术当 前最迫切的发展方向。系统级芯片技术是超人规模集成电路( v l s r ) 发展的必然趋势和主 流，它以超深亚微米工艺和核复用( i p r e u s e ) 技术为支撑。在国家高技术研究发展 8 6 3 计划中，s o c 作为微电子重大专项已列入了2 0 0 0 2 0 0 1 年度信息技术领域的重人 专项预肩动项目中，在若十关键口核的开发、软硬件协同设计、伊复用、v d s m 设训、 新工岂新器件等等方面都设置了预研性课题。其中口核的设计和制造是s o c 技术中最 为关键的部分。 目前成熟的s o c 芯片丰要有三种类型，一是以微处理器为核心，外围集成各种存储 器、控制电路、输入输出、a d 、d a 等功能于一个芯片上；二是咀数字信号处理器( d s p ) 为核心，多个a d 、d a ，大容量存储器等集成：三是上述两种类型的混合，或者把系 统算法和芯片结构有机地集成在一起。中科s o c 属于第一种类型。 s o c 技术的出现表明微电子技术正由电路集成向系统集成发展。系统集成不仅仅是 很多电路的简单的二次集成，而是在设计时就从系统功能和性能出发，结合芯片结构、 很多电路的简单的二次集成，而是在设计时就从系统功能和性能出发，结合芯片结构、 山东科技 学砸士学位昆文绪论 软件硬件协同设计，在更高层次上发展芯片技术，实现算法与芯片的相结合，引入新的 系统结构，给信息处理系统带来革命。 集成电路芯片在容量上的指数级增长和特征尺寸的指数级缩小，对s o c 的设计技 术提出了前所未有的挑战。与传统的l c 设计技术和方法相比，系统级的设计有三个不 同的特点： 设计抽象层次的提高由于芯片上要实现的功能繁多，有些功能要用硬件实现，有 些功能要用软件实现，功能模块之问的关系也特别复杂，这就需要在更高的设计层次 ： 来进行i c 设计。 t p 核的重复使用单个系统芯片上要实现的功能非常复杂，如果芯片上的所有功能 元件都从头开始设计，所需要的工作量将非常又。所以，e d a 工具大多支持口库的使 用，在i p 库中包含已经过验证的d 模块。这样，在设计过程中需要某个功能模块时， 直接从口库中调出该模块即可，使得设计人员的主要精力集中到系统功能的实现和 功能模块之问的关系上，从而加快芯片的设计过程。l p 库中也可咀随时加入一些专用的 l p 模块以备将来使用。 先进的体系结构评估技术一个电子系统通常包括软件部分和硬件部分，在系统级 设计技术中，硬件和软件是并行设计的。在设计的初期，系统中的任何一个功能模块是 南硬件还足由软件来实现还没有确定。在完成系统功能的定义后，需要对系统进行硬件、 软件划分，即确定系统的哪一部分功能由硬件来实现，哪一部分功能由软件来实现。在 这个阶段，需要运用具有评估技术的软硬件划分工具，分析相关的评估数据，以完成系 统硬件和软件的划分t 作。 在s o c 的设计过程中，涉及到很多关键技术：设计描述、软硬件协同设计、p 集成 复用、异构子系统集成、深亚微米设计、高性能与低功耗设计、可测性设计、设计验证 等等。虽然s o c 的概念已被提出多年，并且关于s o c 设计、验证及测试方而的研究取 得了很大的进展，但是仍存在很多尚未解决的问题，因此s o c 仍是集成电路设计方法学 领域的一大热点。s o c 设计仍然是一个具有挑战性任务。为迎接这种挑战，加快我国集 成电路的发展，中科院计算所承接了中科s o c 项目。通过本项目的研究，努力把握未来 国内外超大规模集成电路的发展趋势，掌握关键电子信息产品棱心芯片和碑核的国内外 市场需求：有选择地启动若干关键p 核的开发，为我国超大规模集成电路口核系列的 开发探索有效途径；启动软，硬件协同设计、口复用和v l s i 设计中若干s o c 设计关键技 术的预研；肩动与s o c 相关的新工艺、新器件及可靠性领域中若干关键技术的预研。 3 竺堡型苎查堂堡主兰璺堡苎 堕堡 i 2 2u s b 技术的产生和发展及本课题开发的基于中科s o c 的u s b 主机控制嚣i p 核 ( 1 ) 作为计算机外设接口技术的蘑要变革，u s l ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串j ：_ _ j 总 线) 在传统的计算机组织结构的基础上，引入了网络的拓扑结构及其设计思想。u s b 具 有终端用户的易用性，广泛的应用性，带宽的动态分配，优越的容错性能较高的性能 价格比等特点，方便了外设的接入，适应了现代计算机多媒体的功能拓宽，已逐渐成为 计算机的主流接r | 。1 9 9 5 年，由c o m p a q 、d i g i t a l e q u i p m e n t c o r p 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、 n e c 和n o r t h e r n t e l e c o m 等七家计算机与通信工业领先的公司所组成的联盟定义并加以 推j _ 。1 9 9 6 年，u s b i f 公布了u s b 规范的l0 版本，这是第一个为所有的u s b 产品 提冉设计要求的标准。1 9 9 8 年，在进一步对咀前版本的标准进行阐述和扩充的基础r ， 发布了1 1 版本的规范。第三个版本的u s b 2 0 是发布于1 9 9 9 年。 u s b 的工业标准是对p c 机现有体系结构的扩充。u s b l1 的设计主要遵循以下几个 准则： 易丁扩充多个外围设各： 价格低廉，且支持1 2 m 比特率的数据传输； - 对声音音频和压缩视频等实时数据的充分支持； 协议灵活，综合了同步和异步数据传输； 兼容r 小同设备的技术： 综台了不同p c 机的结构和体系特点： 提供一个标准接口，广泛接纳各种设备； 赋予p c 机新的功能，使之可以接纳许多新设备。 ( 2 ) 目前比较流行的u s b l1 主机控制器有“o h c o p e nh o s tc o n t r o l l e r 开放式主 机控制器”与“u h c u n i v e r s a l h o s t c o n 订d 1 l e r 通用式主机控制器”两种。这两种主机控 制器的功能完仝相同，只是内部的运作方法稍有差异，前者的硬件实现较后者复杂。虽 然今天u s b 的应用已极为广泛，但国内u s b 的开发主要是基于国外芯片( 如c y p r e s s 公司的e z u s bf x 系列，p h i l i p s 公司的i s p l 3 0 1 等) 的产品应用型开发，据盎国内还 没有公司或科研单位设计出u s b 主机控制器d 。此外，虽然开放式主机控制器在硬件 实现上比通用式主机控制器难度大，但是大大简化了软件豹操作，更适合于嵌入式系统。 基于上述因素，课题要开发符合u s b i 1 规范的开放式主机控制器规范的i 】) 核； 本课题在中科s o c 项目中开发基于u s b ll 规范的、符合o p b 总线接口开放式主机 控制器的1 ：p 核，以填补国内空白。u s b 主机控制器的i p 核不但有广阔的市场应用前景， 4 山东科技大学硕士学位论文绪论 而且还具有较好的理论研究价值，将积极推进我国自主的超大规模集成电路口核系列的 开发，促进我国集成电路产业的良性发展。 1 3 论文研究的主要内容与结构 本文的主要内容分为可三个部分。首先提出课题研究背景，介绍了当前流行的e d a 基本概念和集成电路设计流程，提出并分析了软硬件设计和验证方法，简要说明了中科 s o c 的开发验证平台和基于此平台的口核开发；其次通过对u s b l1 规范的分析与研究， 掌握了u s b 体系的结构并分析了符合u s b 规范的四种数据的传送方式，从而使得由主 机控制器的设计符合u s b 协议；最后分析o h c i 规范，掌握了u s b 主机控制器的实现 方式，进行了模块的划分和实现，并通过中科s o c 开发平台实现了软硬件协同仿真和 验证。 第一章为绪论部分，介绍了课题的目的及意义，u s b 的特点、国内外研究现状及发 展前景等。 第二一章提出并分析了软，硬件设计和验证方法，简要说明了中科s o c 的开发验证平台 和基于此平台的口核开发。 第二：章从总体上介绍了整个u s b 体系，主要涉及到u s b 体系布局、u s b 的总线协 议、u s b 数据结构、以及u s b 支持的四种数据流模型等，指出了主机控制器在u s b 系 统中的重要性。 第四章给出了所要实现的主机控制器接口的功能，o h c i 的主要特点：传输时间安排、 传输机制、主要的通信通道等。 第五章旨先给出了o h c i 的整体结构划分，然后分别介绍了各个部分的设计实现。 第六章给出了基于中科s o c 软硬件协调仿真的实现和f p g a 的验证。 最 j 做了总结和展望。 山末事 拄夫学碰士学位论史 s o c 系统设计 2s o c 系统设计 本章介绍了摹于d 的s o c 设计技术，并简要介绍了中科s o c 的系统架构，分析了 基于此平台进行软硬件协同设计的可行性。 2 1 基于i p 的s o c 设计 目前市场上的s o c 芯片主要有三种类型，一是以微处理器为核心，外幽集成各种存 储器、控制电路、输入输出、a d 、d a 等功能于一个芯片上；二是以数字信号处理器s p ) 为核心，多个a d 、d a ，大容量存储器等集成；兰是上述两种类型的混合，或者把系 统算法和芯片结构有机地集成在一起。s o c 技术的出现表明微电子正由电路集成向系统 集成发展。系统集成不是很多电路简单的二次集成，而是在设计之初就从系统功能和性 能出发，结台芯片结构，通过软件硬件协同设计，在更高层次上发展芯片技术，实现算 法与j i ! ；片的相结合，引入新的系统结构，给信息处理系统带来革命。 s o c 设计的关键技术包括口设计复用、软硬件协同设计、设计验证以及可测件设计、 低功耗设计等。基于伊设计是当前s o c 设h 的基本特征，这种设计思想通过将设计层 次从r t l 级提高到系统级，通过系统级的i p 复用来提高生产率。这样就可以将资源投 入到能够产生最大附加值的设计中，提高开发的效率。下面介绍l p 技术和皋于口复用 的s o c 设计流程。 2 1 1 i p 技术 系统芯片上要实现的功能非常复杂，如果芯片上的所有功能元件都从头开始 殳计， 所需要的_ ：【= 作量将非常大。而碑技术的出现很好的解决了设计起点的问题。i p 即知识产 权，i i ) 核是预先设计好的电路功能模块。通过购买i p 或者设计团队拥有自己的m 库， s o c 设计就可以利用这些现有的资源，设计师的关注焦点也随之变成：软硬件的功能划 分、如何进行模块互连、应该选择哪些功能模块、功能模块如何使用以及如何进行系统 验证等，从而缩短开发时间，降低开发成本，因此p 技术是s o c 设计的重要技术支撑， 基于t p 复用的设计方法也成为主流的设计方法，d a t a q u e s i 的首席分析师j i m t u l l y 认为。 设计节用的关键以及消除设计制造剪刀差的唯一有效的方法就是j ：p 复用技术。 根据口的设计层次，i p 通常可以分为3 类：软核( s o f t i p ) 、硬核( h a r d 坤) 和固 梭( f i r mi p ) 。软核是指用可综合的r t l 描述和通用库元件的网表形式表示的可复用模 山东科挂大学硕士学位论文 s o c 系统设计 块，可以是算法级描述，也可以是功能级的；固核是在结构和拓扑方面针对性能和面积 通过版阁规划，甚至可自用某种工艺技术进行过优化的可复用模块，它们以综合后的代 码或通用库元件的刚表形式存在；硬核是在性能、功率和面积上经过优化，并映射到特 定工艺技术的可复用模块，它们以完整的布局布线后的网表和诸如g d s l i 格式的固定版 图形式存在。软核可咀由用户进行配置和修改，因此灵活性最好。另一方面，软核需要 片j 广根据具体设计进行逻辑综台和后端设计，因此软核复用有一定的风险；硬核的优点 足功能确定，知识产权保护也比较容易，但是具有工艺相关性，并且灵活性不够；崮核 的特点介j ：两者之间，目前使用较多。这些不同的特点需要用户在可复用性、灵活性、 性能及上市时间等各方面权衡考虑。现在更多的用户希望得到经过流片验证 ts i l i c o n p r o v e n ) 的d ，这也是将来i p 发展的趋势，因此从事坤开发的公司必须更多 的进行p 投片验证。 m 的基本特征是可复用性。传统的i c 设计中也有复用的概念，例如积术块设计方法。 坤复用与以往设计复用是完全不同的，首先在于复用的规模更大，范崮更广；其次，传 统的设计复用往往局限在同一设计小组的内部，或者特定工艺的设计复用，是在封闭的 设计流程中的复用技术。而i p 复用技术中的核则是一个开放的概念，口供应商提供的 设计可以用丁任何一个设计团队，因此疋核的特征与设计方法都与一般电路不同。 一个具备可复用性的i p ，必须具各几个特征：高质量、标准化、可预见性和灵活性。 高质量是指：功能正确、面积小、速度快、功耗低、工艺适应性佳，这也是i p 设计优化 的目标。在标准化方面，r a p i d ( r e u s a b l ea p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e l l e c t u a l - p r o p e r t y d e v e l o p e r s ) 、v s i a 等组织相继成立旨在制订丁p 重用所需的参数、文档、检验方式等形 式化的标准，蚍及p 标准接口、片内总线等技术性的标准。虽然这些工作已经开展几年， 也制订r 一些标准，但至今仍有大量问题有待解决。灵活性一般指可配置、可修改等特 征。 t p 设计的关键在于标准化，包括接口标准化、设计文档标准化、支持环境标准化和 到装提交标准化，目标是尽可能满足可复用的要求，可以向口集成者提供可复用性好的 i p 核以及完整、清晰、明了的设计信息。 2 1 _ 2s o c 设计流程 s o c 是一个由复杂的硬件功能和软件体系构成的系统，为加快系统设计的进度，硬 件和软件设计交织在一起；为缩短硬件设计的周期，提高物理设计的可预见性，逻辑设 计与物理设计同步进行。这样的设计过程与传统的a s i c 设计是完全i 同的。传统a s i c 1 竺变型垫查兰堡主兰堡兰塞 ! 箜墨鉴堡生 设计中，软硬件设计和验证工作的复杂度不高，因此一般软件开发阶段与硬件设计阶段 分离，即把问题归结为针对特定的硬什进行软件开发：而硬件设计也采用“瀑布式”的 设计流程，即设计工作不会返回到前个步骤，而是顺序的、串行的进行。s o c 内部集成 了处理器、存储器、专有逻辑和互联结构等众多i p 和胶合逻辑( g l u el o g i c ) ，其复杂度 远大于一般芯片，为了在尽可能短的时间内设计出产品，必须从系统级设计阶段开始就 并行的开展设计上作。针对这种情况，由s y n o p s y s 和m e n t o rg r a p h i c s 发起的“复用方 法指南”( r m m ) 中提出了种软硬件协同考虑的螺旋形设计流程，如图2 1 所示。 謦麟。寓嚣攀甓n o 鬻鬻。ji ：鐾 嵩i ：舞三。a 黑p p l i c a t i o n ： 絮嚣霉嶂。剐p “e e ”i f i c , x t i o ”t lh 。躲啼翟峦糟 至r r l 岍i ：函6j - 赢。k 警翟* j - t 晶a s t 。i n g 蔷4 - 一- t 带f 叫“_ “p p c a t j ( = | ，_ _ i 囊漾j _ i 秦熬一i 囊辫 f i l i 甜d 日c 看_ r n 汀懈试 。； 从图2 1 可以看出，在螺旋形的设计流程中，从设计之初到流片之前的各个设计 阶段，都要对设计中的各种因素统一考虑，协调各种设计信息。例如，系统结构和逻辑 设计师必须接受物理设计的反馈，并利用这些信息来优化物理实现的设计。这种设计流 程的一项关键好处是在于设计师几乎可雌立即得到物理信息，所以能通过调整架构或逻 辑设计来解决某些灾难性问题，而这些问题在物理实现期间是不可能解决的。这个过程 在最初的芯片级设计规划阶段就已开始。 这个流程最显著的特点是软硬件协同设计。软硬件协同设计包括几个方面的内容： 系统级描述、软硬件划分、软硬件协同综合、软硬件协同仿真和系统设计相关的低功耗 设计、f j 测性设计等。设计流程从确定系统要求开始，并根据这些要求指定系统描述。 系统描述是系统结构设计、需求分析和功能描述的组合。在传统的层次化设计描述中， 对s o c 涉及的互连延迟、信号串扰、地，电反射等在功能层次中没有合适的表达方法，而 即夏用则要求准确地描述、抽象已有的设计，包括功能、性能、司靠性等等。另外，新 黧一 山东科技大学硕士学位论文 s o c 系统设计 的设计技术要求存高层次中支持设计重用和可执行的系统描述，因此需要新的系统数描 述方法。目前有很多种系统级描述语言( s l d ) ，例如基 ：c c + + 的描述及其扩展 ( s y s t e m c ) ，h d l ( v h d l 、v e f i l o g ) 及其扩展( s y s t e m v e f i l o g ) ，还有全新的系统级描述 语言例如r o s e t t a 等，其中s y s t e m c 应用较多。在系统结构和高层算法描述接近完成时， 就面临软硬什的划分和任务分配。这个步骤很重要的一个工作是定义软件和硬件的接口 和办议，这对i p 的集成至关重要。 软硬件协同设计流程的一个特点是：在设计的每一步都进行某种形式的验证和分 析，咀减少出错的风险，降低验证的难度。例如在系统描述完成之后就进行系统级的功 能仿真，这个仿真对于系统评估非常重要，设计师根据系统功能仿真的结果进行软硬件 划分；在硬件和软件设计完成之后，分别进行设计验证，然后再进行软硬件协同仿真验 汪，在这个阶段应该有完整的虚拟验证环境、测试向量和各模块的详细描述。图2 2 是一般的软硬件协同设计的流程。 图2 2 软硬件协同设计流程 综上所述，s o c 设计的出发点是缩短设计时问，降低验证难度，因此其设计流程将 硬件设计的各个阶段、硬件设计和软件设计尽可能并发，协同考虑各种因素的影响，设 计流程尽量并行；在验证方面，系统级验证在更高的抽象层次进行，模块级验证利用软 硬件协同仿真充分迭代，并且在设计的每一步都进行充分的验证工作。s o c 的设计就是 9 些型堕塑堂堕堕 坚堑! ! 个通过设计复用达到高生产率的软硬件协同设计的过程。 2 2s a c 集成平台综述 v s r a 将一个s o c 集成平台定义为：一个虚拟器件库和一个结构化框架，包括一套 集成的、预先验证过的软件和硬件虚拟部件( v c ) 、模型、e d a 和软件工具、库及方法， 支持通过结构化探查、集成和验证进行快速产品开发。s o c 集成平台是基于平台的设计 方法的核心。从本质上来说，一个平台是一个固定架构，一旦架构固定就需要将接口标 准化，以便让工程师们自由选择组成架构的模块。使用s o c 集成平台可以使设计师在设 计早期就，f 始调试，并且可以同时调试硬件和软件，实现软硬件协同设计。 在开发集成平台时，系统设计者首先要对市场需求有很好的了解，确定平台的应用 领域和要实现的功能，并进行任务和体系结构的划分，从而确定集成平台的体系结构。 这意味者在设计平台时，不仅要考虑它的第一次应用，更要深入的考虑在它的基础上设 计出的衍生产品，及其随时间变化的要求。因此架构的灵活性是平台设计最为关心的问 题。 s o c 集成平台主要包括以下组成部分：硬件方面，s o c 集成结构性能指标描述，例 如片上互联结构、功耗、时钟和测试策略、i o 配置以及虚拟部件的面积等：软件方面， 包括实时操作系统( r t o s ) 、任务调度、任务间通讯、s w - h w 通讯、处理器之间的通 讯以及中间软件和应用软件的分层；按照目标技术预置的虚拟部件；一组经过验证且载 入文档的模块创建及芯片集成设计方法：模块设计指南，涉及混合信号、d f t 、d f m 及 产量问题；具有合适模型的设计验证方法和环境，满足应用范围内的h w s w 协验证要 求。它可能包括快速制样模型，粘接( b o n d c dc o r e ) 内核、行为及性能模型、总线功能模 型、以及依赖于应用范围内验证要求的在线访问工具：参考设计( 可选的) ，用实例说明 如何采用集成平台及其可选p 创建特定产品。 平台本身将是构成下一个抽象层次的“可重用单元”。在集成平台搭建好后，开发 者可以通过配置集成环境，添加自己所需m 来定制后续产品所需平台，这样后续产品的 设计周期会大大减少。系统设计者首先划分软硬件功能，这样集成者首先可以到口库中 寻找自己所需弹或开发新口，下一步集成者定制系统，包括配置c o r e ，m e m o r y 和选择 各种各样的t p 。在集成环境配置好后，通过编写测试向量和运行验证脚本来保证芯片的 r t l 级、门级和电路级的功能正确性。然后，设计者通过开发口或购买第三方口，把 应用功能映射到平台体系结构，实现基于集成平台的开发，如图2 3 所示。 山水科技大学硕j 学位论文s o c 系统设计 图2 3 基于平台的s o c 开发 在【l l 】中，作者将现有的s o c 集成平台分为四类： 全应用平台：即用户在硬件和软件架构之上设计全部应用。通常有一个处理器、总 线和一些专用模块。典型的例子如n e x p e r i a 和t i 的o m a p 多媒体平台、a r m 的 p r i r a e x s y s 无线平台。 以处理器为中心的平台：它侧重于访问可配置的处理器而不是完整应用，如s t 的 s t a r c o r e 平台和i m p r o v 的产品 以通信为巾心的平台：它定义了互连架构但通常不提供处理器或全部应用。如s o r t i e s 公司的s i l i c o n b a c k p l a n e 和p a l m c h i p 公司的c o r e f r a m e 结构。 完全可编程平台：通常包括f p g a 逻辑和一个处理器内核，如a l t e r a 公司的e x c a l i b u r 、 x i l i n x 公司的v i r t c x - l ip r o 羽lq u i c k l o g i c 公司的q u i c k m i p s 。 i c e 3 2 集成平台属于第二种，它内部集成了龙芯1 号3 2 位m i p sc p u 、自定义的 片内互连结构以及丰富的外围功能碑。 2 3i c t - e 3 2 的片上总线架构 i c te 3 2 总线架构采用层次式结构。系统总线是自行开发的a p b ( a d v a n c e d p r o c e s s o rb u s ) 总线，工作频率为1 0 0 t 1 3 3 m h z ；外设总线采用o p b 体系结构，工作频 率为5 0 6 6 m h z 。还有一个用来读写设各寄存器的d c r ( d e v i c ec o m r o lr e n s t e r ) 总线。 三条总线中，系统总线通信协议最复杂，支持传输种类最多，主要用于连接高带宽、低 延迟设备，例如c p u 、s d r a m 控制器、p c i 接口和以太网控制器等。外设总线用于连 接对带宽、频率要求不高的设备，其传输协议简单，具有良好的可扩展性，挂接的设备 山东科技尢学硕士学位诒文s o c 系统馒计 包括u s b 、u a r t 、r t c 、中断控制器和g p l 0 接u 等。i c te 3 2 的外设总线采用的是 升放的o p b 体系结构，其接口特性简单，并且可以获得免费i p 。d c r 总线协议最简单， 目的是分离低速的读写设备寄存器的操作，避免阻塞高速总线。d c r 总线需要穿过不同 的时钟域( c l o c kd o m a i n ) ，因此d c r 操作需要作同步处理。图2 4 是i c t - - e 3 2 的系 统架构。 图2 - 4i c t - e 3 2 系统结构围 i c t - - e 3 2 的总线架构与总线协议是口集成的基础。下面分别介绍与i p 集成相关的 总线接口协议和操作。 2 3 1a p b 总线协议 a p b 总线类似于i b m 的c o r e c o n n e e t 架构中的v l b 1 2 总线。具有3 2 6 4 位数据黄：度、 3 2 位地址宽度，支持处理器、存储器和d m a 等设备的高带宽数据传输。其主要特征有： 读写总线分离、地址流水、全同步操作和可配置的数据线宽度等。a p b 总线挂载的设备 包括主设备和从设备，前者发出总线操作，驱动地址和数据线，后者响应主设备发出的各 种操作。a p b 总线系统还包括仲裁器，其作用是保证共享总线在任一时刻只被一个设备 占用并提供仲裁算法，确保不发生饥饿、死锁这样导致总线不能正常工作的情况。 1 2 山东科技定学硕士学位论文 s o c 系统设计 a p b 的主设备接口比较复杂，可阻发出s i n g l e 读写、b u r s t 凄写、l i n e 读写和锁总线 操作。仲裁器对各个主设备发出的请求进行优先级判断，向通过判优的设备授予总线使 用权，获得授权的主设备即可以进行总线操作。操作分为两个阶段：地址阶段和数据阶 段，两者可以蕈叠，即当前请求的地址阶段与前一个请求的数据阶段可以重叠。在地址 阶段，主设备发出地址和控制信息，如果有从设各响应这个请求，那么写数据从主设备 传输到从设各，或者读数据从从设备传输到主设备。 2 3 2o p b 总线协议 o p b 是被o p e n c o r e 采纳的片上总线标准，其接口时序相对简译，方便i p 集成。o p b 总线的主从设备概念与a p b 类似，其主设备发起总线请求，从设备应答。 u s b 主机控制器就是挂在o p b 总线上的，它在此总线上是个主设备即主动向从设 备发起读写请求，通过总线来完成与s d r a m 之问的数据传输。其接口信号有： sa c k ：应答信号，表示总线数据有效。 se r r ：错误信号表示本次操作错误不能继续下去。 sr t y ：重试信号，表示请求资源忙不能满足当前所请求的操作稍后再试。 sd a t o ：读数据总线，输出主设备请求的读数据。 sd w o ：读数据总线宽度。 s _ c y c ：周期有效信号，该信号