SoC中IP核互连的不同策略解析

1、SoC中IP核互连的不同策略随着集成电路设计复杂度的提高和产品上市时间压力的增大，基于IP核复用的SoC设计已成为一种重要的设计方法。在SoC中集成的IP核越来越多时，IP核的互连策略和方法就成为了影响SoC性能、数据吞吐率等指标的重要因素。本文除了介绍目前流行的总线互连策略，还介绍了正在兴起的 片上网络 NoC ( Network-on-Chip)方法。1、引言半导体加工工艺的不断进步和市场对集成电路产品的需求推动了集成电路设计技术的发 展。ASIC技术作为一种重要的IC设计方法，主要适用于量大使用周期较长的IC产品，一款ASIC芯片，其开发周期大致在1年左右。对于要实现多功能配置、更新换代

2、很快的IC产品，ASIC设计方法很难满足要求。以IP核复用为基础的 SoC设计方法，以其快速的产品上市时间、良好的功能可配置性日益成为IC设计的重要方法。先进的加工工艺也为SoC芯片的制造实现提供了制程支持。在SoC设计中，一个重要的课题就是IP核的互连问题，即当一个SoC中需集成几十个，甚至更多的IP核时，如此多的IP核以怎样的方式进行数据交互。IP核互连的不同形式会影响到SoC芯片的数据带宽、时延、数据吞吐率及功耗等指标。总线是目前SoC设计中广为使用的IP核互连方式，常用的总线ARM的AMBA(Advaneed Microcontroller Bus Architecture总线、IBM

3、 的 CoreConnect 总线、Silicore 公司的 Wishbone 总线、Altera 的 Avalon 总线、PlamchIP 的 CoreFrame 总线、 MIPS 的 EC In terface 总线、Altera 的 Atla ntic? In terface总线、IDT 的 IPBus(IDTPeripheral Bus 总线等。当SoC变得越来越复杂时，总线也逐渐成为限制芯片速度、功耗、 面积、数据吞吐率的一个瓶颈问题。在总线的发展中，增加总线的宽度、提高总线的时钟、 支持流水线、采用多路选择器替换三态门及采用多总线方案等都可以一定程度的缓解以上问 题。然而，总线架构

4、的不断发展与进步却给IP核复用及SoC设计实现带来了一定的不利影响。一方面，总线的技术变更或升级有可能使以前支持的IP核不再适用，需要做修改；另一方面，可能会给SoC的系统级设计带来影响，如总线中引入灵活的流水线方式就给系统架构 及事务级(Transaction level )设计带来很大的影响。针对总线在IP核互连中存在的一些问题，最近出现了 NoC的设计理念。NoC理念的核心是分层互连，将SoC设计中的IP核与互连的线分开来，使得系统的设计优化和IP核的设计优化互不影响。目前已经有利用NoC的设计理念完成了的芯片。2、片上总线片上总线是通过仲裁和译码的方式来完成不同主、从部件的互连及总线复

5、用，比较常用的 主要有 ARM的AMBA总线、IBM的CoreConnect总线、Silicore公司的 Wishbone 总线。(1) AMBA 总线AMBA定义了三种不同类型的总线：AHB、ASP和APB。AHB用于高性能、高数据吞吐部件，如CPU、DMA、DSP之间的互连，ASP用来作处理器与外设之间的互连，APB则为系统的低速外部设备提供低功耗的简易互连。系统总线和外设总线之间的桥接器提供AHB/ASP部件与APB部件间的访问代理与缓冲。AHB系统是由主方（Master ），从方（Slave ）和基础部件（Infrastructure ）三部分所组 成。整个AHB线上的传输都是由主方发

6、出，由从方负责响应。而基础部件则由仲裁器（Arbiter）、主方到从方的多路选择器（ master to slave multiplexor ）、从方到主方的多路选 择器（slave to master multiplexor ）、译码器（decoder ）等所组成。 AHB支持多个主方，在 某个时刻它用仲裁器来仲裁选择一个主方。而译码器则是负责地址的译码，从多个从方中选择 要响应主方传输要求的从方。多路选择器负责总线的互连，将总线上的信号在主方和从方进行传送，图2简单说明了它们连结的情形。I恥 |Y. JWHA l - .SoCCoreConnect 总线图2 AMBA总线中的系统互连简图C

7、*M11 OirCaiKtCoreConnect提供了三种基本类型总线：处理器内部总线(PLB， ProcessorLocal Bus片上外围总线(OPB， On-Chip Peripheral Bus )和设备控制总线(DCR， Device Control Register )。其功能及架构与 AMBA有异曲同工之处。(3) Wishbone 总线Wishbone 采用主/从的构架，主、从方通过点到点( point-to-point )、数据流(data flow )、共享总线(shared bus )、交叉开关(crossbar switch )四种不同形式进行互连，对 于内部互连方式用

8、户可灵活选择、生成、扩展。从以上三种总线的分析看，AMBA和CoreConnect较为相似，而 Wishbone已经开始有了内部互连交叉开关的概念，具有了一些片上网络的特性，但因其缺乏分层互连的思想，故仍归 入总线一类。3、片上网络采用NoC技术来进行IP核互连的理念是逐渐演进的，Wishbone已经初步具备了一些NoC技术的特性，如交叉开关的概念。而OCP-IP的OCP ( Open CoreProtocol )协议将IP核和互连总线通过 OCP界面(interface )分开来，已经具备了层次化互连的理念，因此将 OCP纳入到NoC的技术范畴。OCP-IP的主席IanR.Mackintos

9、h 先生也一再强调 OCP的协议不是总线协议。步 OCP-IP之 后，已经有多家公司致力于研究 NoC相关的技术和产品，较为突出的几家是法国的Arteris公司、英国的 Silistix公司及美国的 Sonics公司。trniMOOTCTOW0XTOKCCT1-RJISlI Hi Pill%!ruow lUAcn m A HllSMkK 电棉 III H(1) OCP-IP 的 OCP 协议OCP协议的核心是在IP核和互连总线之间引入一个事务协议层，如图5所示，该协议定义了 IP核与对应接口模块间点到点的接口信号，除了数据和控制信号，还包括边带控制信号(sideba nd control )和

10、测试信号，除了时钟外的所有信号都是点到点的同步信号。1)OCP协议的特性OCP协议在两个互连的实体(entity )间定义了一个点到点(point-to-point )的界面。其中 一个实体作为 OCP实例的主方，另外一个实体作为从方，只有主方可以发出命令，从方响应 主方的命令，或是从主方接受数据，或是将数据传给主方。图5 OCP协议的分层互连策略L Hfl MB3 M3 *坪Cm伽CmBut图6描述了一个包括一个包装总线(wrapped bus )和三个IP核的系统。对于包装总线界面模块而言，他要扮演OCP协议的互补的两个角色，即它既是主方，也是从方。一个传输的流程如下：系统发起方(syst

11、em initiator )(作为OCP的主方)将控制或数据信息发送给与 他互连的从方；总线界面模块将请求( request )在总线上传输(OCP自身不定义总线功 能)；此处，总线界面模块将请求转换为系统总线的传输；接受的总线界面模块(作为OCP主方)将系统总线的操作转换成合法的OCP命令；系统目标方(system target ) ( OCP的从方)接到命令并对此作出反应。2)主要信号OCP协议中共有三大类信号：数据流信号(Dataflow signals )，边带信号，测试信号(Test signals )，如图 7 所示。数据流信号主要包括：基本信号(Basic signals )、简

12、单扩展信号(Simple extensionssignals )、突发扩展信号(Burst extensions signals )和线程扩展信号(Thread extensions signals );边带信号主要包括：重置( Reset)、中断(Interrupt )、错误(Error )等信号； 测试信号主要包括用于支持扫描(Scan )、时钟控制和IEEE 1149.1 ( JTAG )的信号，所有的 MasterSlaveRequestWrite DataResponseRead DataCon trol sig nalstest sig nalsSystemCoreAccept R

13、equestAccept WR DataAccept Resp onseClockDataflowRequest Resp onseOpti onal han dshake sig nalsSideba ndTest测试信号都是可选的。一尊吕皿pl起旳LI血FZLJ沁IWrite Daki-工皿】j/加衬削说 LjjriRad Datalest signalsSO:各空 K1PK1邕 OSoc p .-:(2) NoC随着SoC中信息的传输交换越来越多，采用层次化的互连方法可以很好的解决以总线为 中心互连时信息交换的瓶颈问题，目前法国的Arteris公司、英国的Silistix公司都推出了 N

14、oC技术相关的产品。1)NoC的架构图8示意了总线架构和 Arteris公司的NoC架构，NoC是一个均匀的、可升级的开关结构 网络(switch fabric network )，开关结构(switch fabric )(图8 b中IP核互连的节点)是NoC技术的核心，他在复杂的SoC中传送各种各样的数据包(data packet )2)NoC的层次在NoC技术中，IP核的互连采用了三层次的互连策略，如图9所示，他们a.传统的总线互连b. Arteris公司的NoC架构分别是事务层(Tran saction )、传输层(Tran sport )、物理 层(Physical )o事务层定义了

15、IP核之间是如何互连交互信息的。如图10中所示的NoC界面单元NIU(NoC In terface Un its )在IP核之间提供事务层互连服务，NIU将IP核和外部的协议(如AHB )隔离开，NIU在两个协议间转换事务内容。一个典型的NoC事务是由一个主 NIU(master NIU )到从 NIU ( slave NIU )的请求和从 NIU到主NIU的应答(response )构成。 事务层将信息互换的实现细节留到传输层和物理层实现。传输层定义了在开关结构间传送数据 包的规则，在数据包中需要一些信息(例如一般是在数据包的头部)来引导数据包的传输。数据包的格式是可变的，可以在不影响传输层

16、的情况下很容易的适应事务层的变化。例如 数据包可以根据实际应用需求包含字节使能(byte enables )、用户信息等信息，而不需要改变传输规则和物理实现。物理层则具体定义了数据包是如何通过界面传递的，如此实现了开关结构间的互连可以在 带宽、数据完整性等方面进行优化而不会影响到事务层和传输层。4、总结工艺的进步和设计方法学的进步使SoC的设计规模越来越大，所集成的IP核越来越多,由此使得IP核间的互连显得越来越重要。除了常见的基于总线的IP核互连方法，In ternet网络中分层互连的思想也被引入到SoC中IP核的互连上来。可以预见，随着技术的进步，将不断有新的互连方法出现。Transact

17、ion ILoad/StoreTransportPacketsPhysicalWire Clocks图9 Arteris公司的NoC技术的分层IP BlockIP BlockTfiifl-uff i-aflIP SlockIP Block11rwftrwifIM 10 A1E、- -I Not i； -r，. JM参考文献1 ARM Ltd. AMBA, Adva need Microco ntroller Bus Architecture Specificatio n. Rev2.0, May 1999.2 IBM Corporatio n, CoreCo nn ect Bus Archit

18、ecture, product brief. URL:/news/1999/990923/pdf/coreco n128_pb.pdf3 W.J. Bain bridge, L .A. Pla na & S.B. Furber,“ The Desig n and Test of a SmartcardChip Using a CHAIN Self-timed Networkon- Chip ” , Proc. DATE04, Vol. 3, Paris, Feb 2004, p. 274.4 T. Felicijan & S.B. Furber,“ An Asy nchron ouChpi