系统芯片SOC设计

第八章系统芯片系统芯片设计系统芯片概述系统芯片是一种系统级集成，将系统的软件/硬件集成到一个集成电路芯片中。它一般包括片上总线、微处理器核心、软件无线电/动态随机存取存储器、闪存、数字信号处理器、模数转换器、数模转换器、RTOS核心、网络协议栈、嵌入式实时应用程序等模块。同时，它还具有外部接口，如外部总线接口和输入输出端口。一般来说，系统芯片中包含的一些模块是预先设计的系统宏单元或核心，或称为IP模块的例程，它们是可配置的。SoC概述，由超深亚微米VDSM(超深亚微米)工艺和知识产权(知识产权)核心重用技术支持。这是超大规模集成电路的发展趋势，也是21世纪集成电路技术的主流，为集成电路产业提供了前所未有的广阔市场和难得的发展机遇。在设计中，设计师不再面对电路芯片。它是一个能够实现设计功能的IP模块库。设计不能从零开始。设计应该建立在更高的基础上，并与现有的IP核一起重用。基于ip核的片上系统设计技术使设计方法从传统的电路级设计转变为系统级设计。基本概念，系统芯片：将一个系统的多个部分集成在一个芯片上。广义：信息获取、处理、存储、交换甚至执行功能的集成。狭义：集成信息处理、存储、交换等功能。单芯片蓝牙SoC系统框架图。特点：功能复杂的超大规模集成电路是用嵌入式处理器和以IP核为核心的数字信号处理器设计的。VDSM技术具有从外部对芯片编程的功能。片上系统的三大支撑技术：软硬件协同设计技术、知识产权设计与重用技术、超深亚微米设计技术、知识产权：和已经过验证、性能优化并可在知识产权中重用的知识产权：功能模块或子系统。IP核心、IP模块、系统宏单元、虚拟组件IP重用：系统中的一些模块直接用现成的IP实现。片上系统设计与集成电路设计的区别在于，采用了IP设计方法来提高生产率，软件和硬件同时设计和调试。不同系统的兼容性和集成性很高。VDSM技术的采用使设计从逻辑转向互连。EDA工具还不够成熟，无法集成嵌入式软件。系统芯片：通过ip核复用提高设计能力，通过系统集成覆盖不同技术，进行混合技术设计，包括嵌入式、高性能或低功耗逻辑、模拟、射频等技术的集成。2.片上系统设计过程要求系统描述和设计一个高级算法级模型，验证系统分为软件和硬件，定义软硬件协同仿真验证的接口，进一步将硬件划分成若干个宏单元，集成验证系统集成、验证测试等。典型的嵌入式系统设计过程，软硬件协同设计实际上是系统软硬件部分的协同开发过程。在整个设计过程中，考虑到系统软硬件部分之间的相互作用，探索它们之间的权衡划分，实际的软硬件协同设计涵盖了设计过程中的许多问题，包括系统描述和建模、异构系统的协同仿真、软硬件划分、系统验证、编译、软硬件集成、接口生成、性能和成本评估、优化等。其中，软硬件划分是协同设计中最重要的挑战，它直接影响到最终产品的性能和价格。3。片上系统关键技术和问题，软硬件协同设计，软硬件划分，协同索引定义，协同分析，协同仿真，协同验证，接口集成。执行硬件和软件分区时，通常有两个主要任务：第一，分配，即选择系统组件的过程，包括选择系统组件的类型和确定每种类型的数量；第二，划分是将系统的功能分布在选定的组件上，也就是说，将系统的功能划分成合理的块，以便每个块被映射到相应的合理组件。这两个设计任务必须满足设计约束集，包括成本、性能、si1999年11月推出了一种软硬件联合建模语言。由Synopsys、CoWare、FroniterDesign、ARM、CygnusSolution、爱立信、富士通、英飞凌、朗讯科技、索尼、意法半导体、税务仪器等代表。世界领先的EDA工具开发商、IP供应商、半导体制造商、系统和嵌入式软件公司联合宣布成立OSCI (OpenSystemCinetic)，共同开发一个C建模平台SystemC，这是一种开放语言。OSCI在网上公开了SystemC的源代码，供用户以Linux形式免费下载。用户可以使用这些源代码和编译器来开发自己的模型，并与其他用户共享。认可开放系统的公司还包括Actel、Alcatel、Altera、AmericanAppliedResearch、ARCCores、C0设计自动化、集成硅系统、智能电子、微电子技术、仿真魔术、SummitDesign、SunMicrosystems、ViewlogicSystems、Xilinx和其他世界知名公司，它们都认为系统是一种很好的软硬件联合设计语言。爱立信公司微电子部主任简-奥洛夫基斯马尔姆说：“通信系统的复杂性正在增加，而新系统需要更短的上市时间。为了在最短的时间内开发复杂的产品，我们需要使用单一的语言来描述复杂的行为和知识产权。我们相信SystemC可以帮助我们更好地描述我们的系统，并在设计过程的初始阶段进行有效的软硬件联合设计。这可以大大缩短我们开发产品所需的时间。”基斯马尔姆老师的话表达了世界上许多公司欢迎SystemC的原因。c语言是目前最流行的计算机语言之一。它已经被系统结构硬件工程师和软件工程师广泛使用，但是它不能准确地描述硬件建模的概念。软件算法和接口规范用C或C语言编写。C程序描述了系统的行为，并为简洁有效的系统描述提供了必要的控制和调用数据。由于大多数设计人员都熟悉这些语言，并且有大量相关的开发工作，因此可用的资源相对丰富。在C语言的基础上，SystemC为硬件建模提供了一种扩展C类库的方法和途径。它不需要添加新的C语言语法结构。它既是一个C类库，也是一种设计方法。它能有效地创建精确的软件算法和硬件结构模型，以及系统芯片和系统设计之间的接口。它可以支持系统级、行为描述级和RTL级的系统和硬件建模。同时，允许设计者继续使用熟悉的C语言和开发工具。SystemC由一组C类库组成，是一种可以描述硬件和软件的系统建模语言。它提供了一个支持硬件描述的类库和一个解释硬件描述的调度器，并继承了C语言描述软件的能力。)来编译和链接SystemC描述、调度器和相关的硬件类库，以生成可执行的系统描述。就系统芯片本身而言，它解决了系统级设计面临的挑战。SystemC之所以强大，是因为它可以作为系统设计师、软件工程师和硬件工程师的通用语言。SystemC允许重用IP模型，创建可以共享工具的集成开发环境，并完成从概念到实现的设计过程。与此同时，RTL级的Verilog和VHDL语言的描述现在可以在SoC设计中使用SystemC实现。系统通过在C语言中添加一个新的类库来扩展C语言。这个新扩展的类库主要用于描述硬件模型的特性。扩展的内容包括：(1)类模板SC模块：其功能相当于VHDL语言的设计实体，构成系统模型的基本划分单元。我们可以将硬件分成许多设计实体。每个设计实体充当一个供应链模块。每个供应链模块包括对端口、构造器、数据成员、子模块和进程的描述。(2)功能流程：用于处理并发机制，包括供应链模块、供应链线程和供应链线程。它可以实现硬件功能的模拟，并可以被激活和挂起(通过系统的多线程调度能力实现)。SystemC为时钟、事件和等待语句提供了进程敏感性和挂起机制，并支持循环模拟机制。(3)时钟：用于处理硬件的时序特性。(4)支持决策和非决策类型。(5)支持C语言本身的所有数据类型，并定义了一些便于硬件模拟的数据类型。(6)处理再激发行为的等待和观察机制。(7)多设计级描述能力，从系统级到RTL级的多级描述能力，支持不同设计级之间的混合描述和通信能力。因此，模块、端口、信号等的描述。被添加来处理分层机制。(8)用于处理抽象通信的抽象端口和协议机制。(9)使用System-main将所有模块连接在一起，并提供时钟发生器和调谐器，可以调试、分析和逐步优化SystemC中的设计模型。(10)调试波形观察：SystemC本身是一个C程序，可以用现有的C调试工具进行调试，也可以用标准格式的输出波形，如vcd。使用SystemC进行系统设计的好处是多方面的，包括：(1)因为整个系统是用同一种语言编写的，所以系统设计者不需要知道许多语言，并且也消除了将硬件部件转换成特殊硬件描述语言(如Verilog和VHDL)的麻烦。(2)通过添加必要的硬件和时间结构，可以逐步优化设计，从而实现良好的设计和设计错误的早期检测。(3)由于能够在高设计水平上建模，该程序易于编写且代码少，这减少了错误的发生，并且比传统模拟更快。从系统级模块到RTL级模块，测试程序可以重用。SystemC的系统级设计方法不同于传统的系统级设计方法。传统的系统级设计方法首先由系统设计者用C或C编写系统功能模型，并在系统级验证设计概念和算法的正确性。概念和算法验证后，需要硬件实现的C或C模型部分被手动转换成VHDL或Verilog描述，从而得到实际的硬件实现。然而，这种方法也有一些局限性和问题：(1)手工转换的HDL，如C/C到Verilog/VHDL:在传统的系统级设计方法中，设计者首先编写C/C语言的系统模型，验证功能是否满足要求，然后手工转换这些系统级模型为HDL语言模型，如Verilog/VHDL，这非常复杂、冗长、耗时且容易出错。同时，不能很好地实现软硬件协同设计，硬件设计人员只能在设计的后期参与设计，因此，在设计的早期阶段，他们无法达成相同的设计理念。(2)系统模型和HDL模型的分离：当系统模型转换成HDL模型时，HDL模型将成为设计的重点，C/C语言模型将很快不再适用。如果以后的设计发生变化，它一般会在HDL模型中发生变化，而不是在C/C语言模型中进行同步变化，从而造成系统模型和HDL模型的分离。(3)多系统测试：为验证C/C语言模型的功能而创建的各种测试基准不能用于未经转换的HDL模型的验证。因此，设计者不仅需要将C/C语言模型转换成HDL模型，还需要将C/C语言模型的测试环境转换成HDL模型的测试环境。SystemC的设计方法提供了传统设计方法无法比拟的优势，主要包括：(1)逐步细化的设计方法使用C/C语言建立系统模型，从C/C语言描述到HDL描述的转换不是一蹴而就的，而是在小部分中逐步细化。在这个过程中，可以添加必要的硬件和时序结构来创建更好的设计。有了这种逐渐细化的设计方法，设计者可以在设计细化的过程中更容易地实现设计变更，更及时、更准确地发现设计缺陷。(2) SystemC可用于从系统级到RTL级的模型描述，以实现单一语言，并且同一测试平台可用于测试，从而节省转换过程和测试过程的时间。对于软件/硬件协同设计，使软件/硬件设计功能在设计的早期和后期保持一致是非常重要的，从而避免设计后期出现意外问题。IP重用技术，软核：用硬件描述语言或c语言编写，它可以是算法级描述或设计的功能级描述，也可以是仅用于功能仿真的行为仿真，主要在RTL出现。它的特点是灵活性大，便携性好。用户可以轻松地将RTL和门级HDL表示的软IP核修改为他们自己所需的设计，并将其集成到所选的处理技术中。然而，与硬IP核相比，可预测性差，设计时间长。集成电路设计人员经常需要知道时隙后的IP是否满足要求。为了克服这些缺点，知识产权核心供应商需要提供详细的知识产权核心验证数据，供集成电路设计人员评估。核心：指与特定工艺相关的物理布局设计，该设计已被芯片正确验证，并可由新设计作为特定功能模块直接调用，主要以GDSIIFormat掩模布局的形式呈现。它的特点是提供可预测的性能和快速的设计，但它的灵活性差，很难移植到不同的处理技术。FirmCore:在软核的基础上开发的，是一个带有时间信息和布局规划的综合设计。它是用硬件描述语言编写的，主要以网表的形式呈现。固态IP核是介于硬IP核和软IP核之间的一种IP核。它通常以RTL代码和相应的特定过程网表的混合形式提供。固体IP核既不是独立的，也不是固定的。它可以根据用户的需要进行修改，使其适合某些可实现的过程。IP核保护和业务模型：可重用的IP核，包括参数化内存、输入/输出接口、算法逻辑单元和整个处理器等。这些可重用模块的开发需要大量投资，具有极高的商业价值。对于知识产权核心的保护，除了利用专利、版权、商标、商业合同等手段外，从技术角度探索有效的知识产权核心保护方法也是十分必要的。目前，知识产权核保护主要有两种技术途径：防止非法授权使用和检测非法授权使用。防止未授权使用的技术主要是通过加密IP核等方法实现的，而检测未授权使用的技术是发现IP核的非法拷贝和使用。另一方面，目前的商业模式严重阻碍了具有巨大潜力的知识产权核工业的发展，因为用户在获得产品开发所需的知识产权核之前必须支付相当大的前期费用并经过漫长