可重用设计方法在SOPC系统设计中课件.ppt
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1、微电子讲座之一,可重用设计方法在SOPC系统设计中的研究与实现,微电子讲座之一,主要内容,介绍可重用设计方法的概念和发展,系统级设计概况、实现方式和设计方法。基于SoPC平台的可重用设计方法的拓宽:详细阐述了SoPC系统平台在可重用设计方面和电子系统级设计方面的方法和优势。基于DSPBullder的SOPC系统级设计:详细介绍系统级设计工具DSPBullder,以及怎样在SoPC平台上完成原型算法模块的设计。,主要内容介绍可重用设计方法的概念和发展,系统级设计概况、实现,引言,近年来,随着可编程器件技术的进步,可编程逻辑阵列FPGA逻辑容量不断提高而价格在不断的降低,在FPGA上实现SOC即S
2、OPC技术已成为了一种发展趋势。SOPC( System on Programmable Chip)是一种灵活、高效的soc解决方案。首先它是片上系统(soC),由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能。其次它是可编程系统,具有灵活的设计方式,可裁减,可扩充,可升级,并具有软硬件体系可编程的功能。,引言近年来,随着可编程器件技术的进步,可编程逻辑阵列FPGA,将可重用设计方法与SOPC技术相结合,将传统的停留在板级设计层面的嵌入式系统硬件设计提升到基于可编程逻辑芯片上的系统设计,并将可重用设计方法从SOC领域延伸到SOPC领域。在SOPC系统平台上将可重用设计方法扩展为四个方面:可重构硬件平台、可
3、重配置系统平台、IP核复用与IP核设计、原型算法可重用设计与验证。,将可重用设计方法与SOPC技术相结合,将传统的停留在板级设计,可重用设计方法定义,20世纪70年底以来,微电子技术飞速发展,集成电路设计和工艺水平有了很大提高。如今人类已经可以设计并制造出包含上亿个晶体管的超大规模集成电路,集成在单个芯片上的功能也在不断增加。从而使得以往由许多芯片组成的电子系统集成在一个单片硅片成为可能,构成所谓的片上系统(soc)。,可重用设计方法定义20世纪70年底以来,微电子技术飞速发展,,与普通的集成电路(IC)相比,SOC不再是一种功能单一的单元电路,而是将大规模的数字逻辑和嵌入式处理器整合在单个芯
4、片上,集合模拟部件,形成模数混合、软硬件结合的完整的控制和处理片上系统。因此,当今电子系统设计已不再是利用各种通用集成电路实现板上系统(SOB),即印刷电路板(PCB)级的设计和调试,而是转向以专用集成电路(ASIC)或大规模FPGA以及CPLD为物理载体的系统芯片设计,前者称为SOC,后者称为SOPC(可编程片上系统),与普通的集成电路(IC)相比,SOC不再是一种功能单一的单元,设计方法的转变,随着芯片制造工艺的变化,芯片的设计方法也发生了巨大的改变。传统的方法是自上而下先写出所有模块的RTL编码,再将这些模块集成到一个共同的顶层设计下,最后再进行综合。这种方法对于复杂芯片的设计已经不再适
5、应,也满足不了快速变化的市场的要求现在复杂芯片设计的有效方法就是可重用设计,即使用以前设计的核以及经过验证的核进行设计。,设计方法的转变随着芯片制造工艺的变化,芯片的设计方法也发生了,可重用设计方法理念,随着嵌入式技术的不断完善与发展,现在的嵌入式系统设计已经不再像早期那样,只要完成某个特定的功能就可以。越来越多的SoC芯片对系统性能稳定性、可靠性有了越来越高的要求,SoC设计的焦点己经不再是某个新功能的设计和实现,而是如何去评估验证和集成多个己存在的软硬件模块。可重用设计方法已经成为设计巨大容量芯片的必选方法,因为只有使用这种方法,我们才能在芯片设计过程中有效控制设计费用、缩短设计周期、提高
6、设计质量。从SOC的设计和实践中,人们认识到设计方法的革命就是要完成一个转变,以功能设计为基础的传统流程转变为以功能组装为基础的全新流程。,可重用设计方法理念随着嵌入式技术的不断完善与发展,现在的嵌入,可重用设计方法规范,可重用设计方法是基于知识产权核的,适用于设计可重用核或者集成可重用核的设计。知识产权核是经过预先设计、预先验证,符合产业界普遍认同的设计规范和设计标准,具有相对独立功能的电路模块或子系统,可重用于SOC、SoPC设计中。在可重用设计方法中最关键的技术就是IP核的设计与验证。可重用设计在大大提高电子系统设计效率的同时,也提出了对IP核设计中代码、接口、验证、配置等方面的更高要求
7、。,可重用设计方法规范可重用设计方法是基于知识产权核的,适用于设,研究内容,可重用设计方法学中对于IP核设计及能够研究的内容大体包括:面向一般设计问题设计 这就是意味IP核必须很容易进行配置,以适用不同的应用面向多种工艺设计 对于IP软核,它必须能够面向不同的工艺库进行综合,从而产生令用户满意的结果,研究内容 可重用设计方法学中对于IP核设计及能够研究的,面向多种模拟器的设计 对于好的可重用设计,既要有Verilog代码版本,又有VHDL代码版本,能有各种版本的验证和测试向量,而且能够运行在多个主流商用模拟器上。面向标准的接口设计 IP核设计要基于标准的接口,只有在没有标准可遵循的时候才设计一
8、些特殊、定制的接口,面向多种模拟器的设计,提供独立的验证 可重用IP核在集成到芯片之前必须经过全面、独立的测试和验证,需要保持很高的测试覆盖率验证要达到高度可信 可重用IP核需要进行极其严格的验证,甚至要建立一个物理原型并附加特定软件进行测试,提供独立的验证,对于核的应用和限制必须给予全面说明 任何配置中的限制和参数选取,需要清楚地说明,特别是配置方法、参数意义和可重用核接口要求及限制必须详细说明。 系统设计的第一步通常是创建系统的设计规范,包括开发、验证、细化等一整套的设计规范,甚至可以详细到可以开始RTL编码。快速完成一套清晰、全面、一致的设计规范是个非常困难的问题,而一个成功的设计中,设
9、计规范阶段是最关键、最具有挑战性和最耗时的阶段,对于核的应用和限制必须给予全面说明,当前,有两种主要技术有助于描述软件、硬件规范,可使软、硬件更具有鲁棒性和可用性,它们是形式规范和可执行规范形式化规范:在形式规范中,设计的特征被一种与任何实现都不相关的形式定义下来。一旦设计采用了形式化规范,就可以利用形式化方法来证实实现是否满足规范的要求(利用属性检查)可执行规范:可执行规范对于描述大多数设计中的功能行为更加有用。可执行规范实际上是对软、硬件的一种抽象模型。对一些高层次的规范用system c或HVL(硬件验证语言)书写。在低层次通常用verilog或VHDL语言描述,当前,有两种主要技术有助
10、于描述软件、硬件规范,可使软、硬件更,采用可重用设计方法的意义,可重用设计方法己经成为SoC设计团队必须采用的一种设计方法,也正在被世 界上越来越多的可重用IP开发团队和SoC集成设计者使用。偶然地重用可以带来2一3倍的效益;而大多数soc设计明确要求使用可重用模块。因为可重用IP核设计需要花费比一般设计更多的时间。所以只有专门的公司或团队来负责可重用模块的开发,可重用模块设计就必须走向标准化。因此可重用设计方法的最大意义在于使整个芯片设计行业划分两类:IP核集成或使用者和专业的IP核设计或开发者。,采用可重用设计方法的意义可重用设计方法己经成为SoC设计团队,可重用设计方法不仅限于数字IP核
11、重用的范畴和SoC设计,随着可重用设计方法的不断完善,势必在模拟IP核和软件的可重用设计上也会逐渐受到重视。将可重用设计方法从SoC设计领域延伸到SoPC设计领域,从可重用设计方法角度阐述基于SoPC的嵌入式系统设计。,可重用设计方法不仅限于数字IP核重用的范畴和SoC设计,随着,ESL系统级设计,ESL系统级设计基本概念电子系统级ESL (Electronie system Level)设计方法是从算法建模演变而来的,ESL设计已经演变为嵌入式系统软硬件设计、验证和调试的一种补充方法学。这些嵌入式系统包括soc系统、FPGA系统、板上系统、以及多板级系统。ESL以抽象方式来描述SOC系统,给
12、软硬件工程师提供一个虚拟的硬件原型平台,用以进行硬件系统结构的探察和软件系统的开发。在ESL设计中,系统的描述和仿真速度快,使设计师有充足的时间分析设计内容。ESL设计不仅能应用在设计初期与系统架构规划阶段,也能支持整个硬件与软件协同设计的流程。,ESL系统级设计ESL系统级设计基本概念,SOC的设计趋势正从RTL向ESL转移。ESL可以帮助设计者从更高层次进行电路设计,它能协助工程师进行系统级设计、结构定义、软硬件分割和协同设计,建立虚拟原型机,以及验证不同构架方案的可行性。ESL设计的核心TLM( Transaction Level Modeling)事务级建模。目前的ESL工具通常采用工
13、业标准语言进行建模,如c/c、system、system Verilog等。在基于FPGA的SocPC平台上,还可以使用MATLAB/ Simulink进行建模。用基于模型的设计方法,以系统模型取代书面规范。,SOC的设计趋势正从RTL向ESL转移。ESL可以帮助设计者,系统级设计流程,为了迎接系统设计所带来的挑战,设计师正在将他们的设计方法转移到两种主要的设计方法上: 从瀑布式模式转移到螺旋式模式上从自顶向下的方法转变为自顶向下和自底向上的混合方法,系统级设计流程为了迎接系统设计所带来的挑战,设计师正在将他们,可重用设计方法在SOPC系统设计中课件,由图可以看出传统的瀑布模式,项目开发是从一
14、个阶段到另一阶段按步骤推进的,后一阶段完成后,不会再返回到前一阶段。这样的模式中,设计项目通常是由一个团队移交到下一个团队,团队之间没有交流。另外,此模式在上一阶段未完成之前,不允许下一阶段开始。在以前大多数项目开发中,软件设计总是紧跟着硬件设计之后就开始了,然而由于没有硬件平台供软件进行调试,软件开发团队也只能等待,所以软、硬件的开发总是顺序进行。,由图可以看出传统的瀑布模式,项目开发是从一个阶段到另一阶段按,随着复杂度的增加、几何尺寸的缩小和上市时间的压力,许多设计团队己经从旧的瀑布模式转移到螺旋模式上。在此模式下,设计团队是在多个层面上同时开始设计,增强了设计的竞争力。,随着复杂度的增加
15、、几何尺寸的缩小和上市时间的压力,许多设计团,可重用设计方法在SOPC系统设计中课件,上图给出了螺旋式系统设计流程,这种流程的特征包括: 软件和硬件的开发并行; 验证和综合的过程并行; 规划和布局、布线包含在综合过程中; 只有当以前设计的软、硬核不可用时,才开发新模块; 整个过程中有多次迭代。,上图给出了螺旋式系统设计流程,这种流程的特征包括:,经典的自顶向下的设计流程式设计中常采用的,它开始于规范制定、功能划分,结束于系统集成和验证。但是像瀑布模式一样,自顶向下的开发方式也是一种可以实现的理想状态。因为它是假定底层的模块己经设计好了,如果某一模块不合 适本次设计,则设计需要重新再反复一次。正
16、因如此,设计团队通常选择自顶向下和自底向上的混合方法。在这一设计过程中,可重用核库可以提供一些已验证过的核,以满足设计的需要。,经典的自顶向下的设计流程式设计中常采用的,它开始于规范制定、,ESL设计步骤,与以往的SOC系统级设计不同,ESL设计可分3步走。首先是功能设计,在这一步需要建立并且验证所开发产品的功能模型,通常包括各个部分的功能,各个部分之间的通信、数据流控制输入输出端口等。其次是基于应用的结构设计 此时需要描述整个系统平台,将功能模型映射到平台上,并进行验证,找到最理想的情况。最后是基于平台的结构设计 这一步需要对平台进行低层次的描述,建立和谐的硬件结构。,ESL设计步骤与以往的
17、SOC系统级设计不同,ESL设计可分3,电子系统设计流程,电子系统设计流程,首先接受一个设计定义的输入,这个定义可以是文本、图表、算法或某种描述语言。根据这个输入的定义,完成算法的开发,提出一种系统的架构,用ESL语言来描述这种系统架构,即系统级描述,并在此基础上完成软硬件的初步划分。完成基本的软硬件划分后,开始软件和系统级硬件的设计。这里的系统级硬件设计是指对功能单元的高抽象层次的建模,完成功能设计。软件设计是根据架构中指定的处理器和软件任务的定义完成应用软件的设计。软硬件协同验证,根据协同验证的结构反馈给体系结构和软硬件划分,根据性能成本等因素重新做出调整,这是一个重复的过程,在整个设计过
18、程中要根据验证的结果对系统和设计做出调整。完成验证的硬件和软件就可以组成一个完整的系统设计。,首先接受一个设计定义的输入,这个定义可以是文本、图表、算法或,ELS系统级设计特点,ESL设计受到欢迎,主要有三方面的功能: 功能正确和时钟精确型的执行环境使提前开发软件成为可能,缩短了软硬件集成时间;系统设计更早的和验证流程结合,能确定工程开发产品的正确性;在抽象层设置的约束和参数能传递到各种用于实现的工具中。ESL设计领域有三种不同的层次: 在最高的层次是算法开发; 在设计和实现层次是系统构架开发; 接着就是设计的自动生成过程。,ELS系统级设计特点ESL设计受到欢迎,主要有三方面的功能:,ESL
19、设计有以下几个特点:1.更早的进行软件开发2.更高层次上的硬件设计3.设计的可配置性和自动生成4.方便的架构设计5.快速设计和验证,ESL设计有以下几个特点:,ESL系统级设计的挑战,首先是IP核问题, 在ESL设计中IP无疑起到了很重要的作用。虽然在ESL设计中,功能模块的设计在较高的抽象层次上完成,但这相对于RTL模块的设计速度要快很多。但要完成设计和验证众多的功能模块,没有专业的IP核提供商也是难以想象的,而像处理器等重要的虚拟模型需要由ESL工具或专业的IP提供商来提供,而IP的可配置性决定了他们能否工作在不同的平台上。其次是设计方法学的发展,ESL是一个新的设计方法,需要在设计流程和
20、设计方法学上进一步探索。最后是设计人员观念的转变,传统的软件工程师、硬件工程师和体系架构工程师是各自分立,而ESL设计需要他们结合在一起而不是分离。,ESL系统级设计的挑战首先是IP核问题,,SOPC技术概述,SoPC是一种灵活、高效的SOC解决方案。它具有双重含义:首先它是片上系统(SoC),由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能;其次它是可编程系统,具有灵活的设计方式,可裁减,可扩充,可升级,并具有软硬件在系统可编程的功能。SOPC是PLD和AsIC技术融合的结果。与传统的系统设计相比SoPC继承了SoC的优点。此外,SoPC将处理器、存储器、I/O口等系统设计需要的功能模块集成到一个PLD
21、器件上,构建成一个可编程的片上系统。下图表示了SoC到SoPC的转变,以往在ASIC芯片实现的众多功能模块以IP核集成的方式在FPGA芯片内实现,系统功能更具灵活性。,SOPC技术概述SoPC是一种灵活、高效的SOC解决方案。它,可重用设计方法在SOPC系统设计中课件,从系统集成的角度看,SoC是以不同模型的电路集成、不同工艺的集成作为支持基础的。所以,要实现SoC,首先必须重点研究器件的结构与设计技术、VLSI设计技术、工艺兼容技术、信号处理技术、测试与封装技术等,这就需要规模较大的专业设计队伍,相对较长的开发周期和高昂的开发费用,并且涉及到大量集成电路后端设计和微电子技术的专门知识,因此设
22、计者在转向SOC的过程中也面临着巨大的困难。,从系统集成的角度看,SoC是以不同模型的电路集成、不同工艺的,SoC面临上述诸多困难的原因在于SoC技术基于超大规模专用集成电路,因此,整个设计过程必须实现完整的定制或半定制集成电路设计流程。美国ALTERA公司在2000年提出的SoPC技术则提供了另一种有效地解决方案,即用大规模编程器件的FPGA来实现SoC的功能。SoPC与SoC的区别就是FPGA与AsIC区别。SoPC是SoC发展的新阶段,代表了当今电子设计的发展方向。其基本特是设计人员采用自顶向下的设计方法,对整个系统进行方案设计和功能划分,最后系统的核心电路在可编程器件上实现。,SoC面
23、临上述诸多困难的原因在于SoC技术基于超大规模专用集,随着百万门级以上的FPGA芯片、功能复杂的IP核、可重构的嵌入式处理器核以及各种功能强大的开发工具的出现,SoPC已成为一种一般单位甚至个人都可以承担和使用的设计方法。SoPC基于FPGA芯片,将处理器、存储器、I/O口等系统设计需要的模块集成在一起,完成整个系统的主要逻辑功能,具有设计灵活、可裁减、可扩充、可升级及软件、硬件在系统可编程的功能。,随着百万门级以上的FPGA芯片、功能复杂的IP核、可重构的嵌,MCU、 DSP、FPGA,MCU(Micro Control Unit)、DSP(Digital Signal Processing
24、)和FPGA在现代嵌入式系统中都扮演着非常重要的角色,它们都具有各自的特点但又不能兼顾。在简单的控制和人机接口方面,以51系列单片机和 ARM(Advanced RISC Machine)微处理器为代表的MCU因为具有全面的软件支持而处于领先地位在海量数据处理方面,DSP优势明显;在高速复杂逻辑处理方面,FPGA凭借其超大规模的单芯片容量和硬件电路的高速并行运算能力而显示出突出的优势。,MCU、 DSP、FPGAMCU(Micro Control,因而,MCU、DSP、FPGA的结合将是未来嵌入式系统发展的趋势。而SoPC技术正使MCU、DSP和FPGA有机融合。目前,在大容量FPGA中可以嵌
25、入16位或32位的MCU,如ALTERA公司的Nios2处理器;DSP对海量数据快速处理的优异性能主要在于它的流水线计算技术,只有规律的加减乘除等运算才容易实现流水线的计算方式.这种运算方式也较容易用FPGA的硬件门电路来实现。SOPC一般采用大容量FPGA作为载体,除了在一片FPGA中定制MCU处理器和DSP功能模块外,可编程器件内还具有小容量高速RAM资源和部分可编程模拟电路,还可以设计其他逻辑功能模块。,因而,MCU、DSP、FPGA的结合将是未来嵌入式系统发展的,由于市场上有丰富的IP核资源可供灵活选择,用户可以构成各种不同的系统。有些可编程器件内还可以包括部分可编程模拟电路。除了系统
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