基于模式的SoC設(shè)計方法研究

1、基于模式的soc設(shè)計方法研究(system on chip) 是微技術(shù)進展的一個新的里程碑，soc不再是一種功能單一的單元，而是將信號采集、處理和輸出等完整的系統(tǒng)集成在一起，成為一個有專用目的的電子系統(tǒng)單片。其設(shè)計思想也有別于ic，在一個或若干個單片上完成囫圇系統(tǒng)的功能。soc開發(fā)和設(shè)計存在一些問題，如描述語言不統(tǒng)一、抽象層次低、速度慢、可重用性差、設(shè)計性能無法保障、rtl級發(fā)覺的問題需要重新舉行囫圇的設(shè)計流程才干解決，因此soc的建模與設(shè)計的辦法成為當(dāng)前迫不及待的課題。上述種種問題與曾經(jīng)困窘軟件業(yè)的“軟件危機”的表現(xiàn)十分類似，為了解決軟件危機，人們提出了軟件工程。因此，本文的思路是將軟件工程

2、中應(yīng)用最為廣泛的面對對象技術(shù)引入到soc設(shè)計當(dāng)中。設(shè)計模式是面對對象的精髓，在軟件中已經(jīng)得到了廣泛的運用，在soc設(shè)計中用法設(shè)計模式，可以降低軟硬件開發(fā)之間的鴻溝，對于軟硬件協(xié)同設(shè)計有很大的協(xié)助，使系統(tǒng)得到更大的可伸縮性。soc設(shè)計辦法學(xué)傳統(tǒng)的設(shè)計辦法在傳統(tǒng)soc設(shè)計過程中，系統(tǒng)一開頭就被劃分為軟件和硬件2大部分，軟件和硬件自立舉行開發(fā)設(shè)計. 這樣隱含一些問題，如軟硬件之間的交互受到很大限制、軟硬件之間的互相性能影響造成很難評估和系統(tǒng)集成相對滯后，導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量差、設(shè)計修改難和研制周期不能有效保障。傳統(tǒng)soc設(shè)計流程中，設(shè)計辦法只作用于soc后級，缺乏soc前級設(shè)計辦法與系統(tǒng)驗證策略，從而導(dǎo)致了

3、rtl電路模型中錯誤成分復(fù)雜化與驗證人工開銷激增. 另外，軟件開發(fā)者必需等到硬件的設(shè)計和結(jié)構(gòu)都完成并通過驗證之后，才干開頭軟件的設(shè)計和實現(xiàn)，所以開發(fā)的周期將會持續(xù)很長，產(chǎn)品的競爭力會因此而下降.基于模式的設(shè)計辦法針對傳統(tǒng)設(shè)計辦法的不足，新的soc設(shè)計辦法應(yīng)當(dāng)在行為級就開頭建立仿真模型和舉行行為與結(jié)構(gòu)的驗證，同時必需強調(diào)結(jié)構(gòu)化、封裝和重用硬件設(shè)計在高層次的抽象的重要性。因此，本文提出基于模式的soc設(shè)計辦法pbsoc ，1所示，強調(diào)高層次的系統(tǒng)建模，更有利于設(shè)計的復(fù)用. 在需求分析階段，按照規(guī)格解釋，用法面對對象的分析辦法，給出用例的關(guān)系和挨次圖. 在系統(tǒng)級設(shè)計階段，用法統(tǒng)一的語言systemc

4、舉行軟硬件協(xié)同設(shè)計。systemc是由open systemc initiative (osci) 提出和維護的開放源代碼的基于c+統(tǒng)一軟硬件建模平臺. 軟硬件模塊都用c+ 描述，對不同軟硬件劃分計劃的評估和權(quán)衡可以便利地舉行。pbsoc用法形式化辦法和面對對象的petri網(wǎng)對系統(tǒng)的行為和結(jié)構(gòu)建模，不涉及任何結(jié)構(gòu)和時光的詳情，并通過實時uml舉行可視化的描述. 它不僅具備傳統(tǒng)面對對象辦法所具有的風(fēng)格，而且具有petri網(wǎng)直觀模擬系統(tǒng)動態(tài)行為的優(yōu)點，從而能夠越發(fā)簡潔、清晰地描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和組成元素之間的層次關(guān)系。將petri網(wǎng)思想引入面對對象建模當(dāng)中，可將系統(tǒng)看作是一些互相作用的對象組成的集

5、合。集合中的每個對象都具有自己的屬性和任務(wù)，它們按照收到的消息、句柄等來完成相應(yīng)的任務(wù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能.在系統(tǒng)級建立面對對象的設(shè)計模式庫和ip復(fù)用庫，oo庫即面對對象數(shù)據(jù)庫，主要存放的是各種soc設(shè)計模式(pattern) ，在soc系統(tǒng)框架設(shè)計、ip設(shè)計以及ip通信設(shè)計中都可以用法模式。ip庫中存放的可以是一般的ip核，即其他廠商設(shè)計的成熟的ip；也可以是用面對對象的辦法設(shè)計的一些ip 核，即ip 的設(shè)計過程也遵從于pbsoc。圖1 pbsoc 設(shè)計框架soc設(shè)計的設(shè)計模式設(shè)計模式模式是解決某一類問題的辦法論，它把解決某類問題的辦法總結(jié)歸納到理論高度。雖然模式起源于建造，但其思想也同

6、樣適用于面對對象設(shè)計模式。指導(dǎo)模式設(shè)計有3個重要概念，即重用( reuse) 、接口與實現(xiàn)分別和低耦合(loose couple)。重用是系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，主要通過繼承(inheritance) 和對象復(fù)合(composition) 實現(xiàn). 接口與實現(xiàn)分別指接口保持不變，用分別帶來靈便性，主要表現(xiàn)形式為多態(tài)性(polymorphism)。低耦合可以降低復(fù)雜性?，F(xiàn)存的硬件設(shè)計模式和重用辦法主要是處理rtl(寄存器傳輸級) 設(shè)計和編碼的。這種在設(shè)計過程中堆積的閱歷在設(shè)計重用時是十分重要和實用的，然而并沒有涉及系統(tǒng)級設(shè)計的問題。因此在系統(tǒng)級應(yīng)用面對對象的辦法可以克服這些鴻溝，用法設(shè)計模式還可以更迅速和

7、直觀地捕獲設(shè)計的內(nèi)容，提高設(shè)計的可理解性，將抽象的級別升高到系統(tǒng)級，能夠處理更復(fù)雜的硬件設(shè)計。soc設(shè)計模式soc的設(shè)計模式與軟件的設(shè)計模式的不同，主要在于軟件和硬件的設(shè)計差別。soc的設(shè)計不僅包括軟件，還有硬件以及軟硬件的協(xié)同設(shè)計，因此，它涉及物理約束、實時性和并發(fā)等關(guān)鍵問題。所以要將軟件的模式舉行改造，并用法軟硬件通用的描述語言舉行描述。軟件設(shè)計模式中運用得比較多的面對對象辦法是繼承，它同樣適用于soc的設(shè)計模式當(dāng)中，但必需考慮soc系統(tǒng)中的物理約束。一些軟件設(shè)計模式，主要是創(chuàng)建型模式，能夠動態(tài)地生成系統(tǒng)的對象，而soc系統(tǒng)中硬件部分結(jié)構(gòu)是靜態(tài)的，因此，它們不適合于soc硬件部分設(shè)計模式，

8、但是對于soc系統(tǒng)中的軟件模塊還是可以適用的，例如原型模式和指令模式等。大部分的結(jié)構(gòu)型模式只需要稍做修改就可以應(yīng)用到soc設(shè)計中，主要是實現(xiàn)方式的問題，即用軟硬件通用的語言來重新描述它。而行為型的模式，需要加入實時系統(tǒng)中一些約束。對于典型軟件模式改造的前提和目標(biāo)是設(shè)計的可重用性，主要是soc系統(tǒng)級設(shè)計的可重用。在soc中fsm(有限狀態(tài)機) 是最常用的一種行為表達(dá)方式，因此狀態(tài)轉(zhuǎn)換的頻率是十分多的.如下面的狀態(tài)模式，通過改造，可以用于描述硬件設(shè)計。新的soc設(shè)計模式的提出是pbsoc 終于的目標(biāo)。它主要針對的就是高層次soc設(shè)計中最常用的一些設(shè)計辦法，以及構(gòu)筑soc系統(tǒng)的基本組件和基本結(jié)構(gòu)，如

9、層適配模式(layeradapter pattern) 和包裝器模式(wrapper)。本文僅給出了模式的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)的實現(xiàn)不在此贅述。(1) 狀態(tài)模式(state pattern)狀態(tài)模式的意圖是使一個對象在內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)變時可以轉(zhuǎn)變自己的行為，從客戶看來，好似對象轉(zhuǎn)變了它的類。即不同的狀態(tài)，不同的行為；或者說，每個狀態(tài)有著相應(yīng)的行為.考慮soc片上協(xié)議， 片上總線總是有3 個狀態(tài): 閑( idl e) 、忙(busy) 和關(guān)閉(close) . 而各個狀態(tài)的處理過程不一樣. 2 所示，busprotocol 類維護一個表示總線當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)對象(一個busstate 子類的實例) . buspr

10、otocol 類將全部與狀態(tài)相關(guān)的哀求托付給這個狀態(tài)對象. busprotocol 用法它的busstate 子類實例來執(zhí)行特定于銜接狀態(tài)的操作. 一旦總線狀態(tài)轉(zhuǎn)變， busprotocol 對象就會轉(zhuǎn)變它所用法的狀態(tài)對象. 例如，當(dāng)片上總線從閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)為忙狀態(tài)時，busprotocol 會用一個busbusy 的實例來代替本來的busidle 的實例。圖2 狀態(tài)模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)state 模式不指定哪一個參加者定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則. 假如該準(zhǔn)則是固定的， 那么它們可在context 中徹低實現(xiàn). 然而若讓state 子類自身指定它們的后繼狀態(tài)以及何時舉行轉(zhuǎn)換， 通常更靈便、更合適. 這需要cont

11、ext 增強一個接口， 讓state 對象顯式地設(shè)定context 的當(dāng)前狀態(tài)。首先定義類busprotocol ，它提供了一個片上總線的基本協(xié)議通道并處理轉(zhuǎn)變狀態(tài)的哀求。busprotocol 在state 成員變量中保持一個busstate 類的實例。類busstate 復(fù)制了busprotocol的狀態(tài)轉(zhuǎn)變接口。每一個busstate 操作都以一個busprotocol 實例作為一個參數(shù)， 從而讓busstate 可以拜訪busprotocol 中的數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)變總線的狀態(tài)。busprotocol 將全部與狀態(tài)相關(guān)的哀求托付給它的busstate 實例state。busprotocol 還提

12、供了一個操作用于將這個變量設(shè)為一個新的busstate。busprotocol 的構(gòu)造器將該狀態(tài)對象初始化為busidle 狀態(tài)。(2) 層適配模式層適配模式為soc通信建模提供分層的協(xié)議轉(zhuǎn)換，將不同架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過接口的匹配，實現(xiàn)各層次的數(shù)據(jù)通信，提供事務(wù)級建模各層的適配方式。系統(tǒng)建模中通信機制可以分為4 層，其中事務(wù)級建模分為3 層，即除l0 之上的3 層為事務(wù)級。其中：l3 為消息層，這一層沒有任何的時光信息，系統(tǒng)行為是大事驅(qū)動的，并建立點到點的通信. l2 為事務(wù)層，這一層的系統(tǒng)模型帶有時光信息，但并不是時鐘精確周期，系統(tǒng)是時光驅(qū)動執(zhí)行的。事務(wù)層將抱負(fù)的結(jié)構(gòu)映射到需要考慮資源分配和設(shè)

13、計約束的結(jié)構(gòu)中，完成soc體系結(jié)構(gòu)的分析和建模，并開頭軟件的開發(fā)。l1為傳輸層，它在rtl層之上，系統(tǒng)由精確到周期的行為組成，但比rtl 級的仿真速度要快。傳輸層建模普通對應(yīng)一定的總線協(xié)議，將精確到周期的協(xié)議映射到給定的硬件接口和總線結(jié)構(gòu)上，躲藏了接口的管腳，將事務(wù)挺直映射到總線周期。層適配模式將通過適配完成各層次的模型轉(zhuǎn)換。3 所示，tl1 master adapter通過適配tl1通道和tl2 通道，使tl1 master 和tl2 slave 通信。圖3 層適配模式結(jié)構(gòu)(3) 包裝器模式包裝器模式的目的是通過調(diào)節(jié)接口和ip 組件的行為來適應(yīng)特定的應(yīng)用環(huán)境，它屬于結(jié)構(gòu)型模式.在soc設(shè)計中

14、，功能組裝正在逐漸代替功能設(shè)計，而成為主流的設(shè)計辦法。因此，各個ip模塊的互連，以及與片上總線的通信成為討論的重點。ip的本質(zhì)特征是可重用性，通常必定滿足以下基本特征:通用性好，正確性有保證，可移植性好。由于許多ip在設(shè)計之初都是針對特定的應(yīng)用，而很少考慮到要與外來電路搭配用法。ip的定義沒有一個通用的接口標(biāo)準(zhǔn)，由于芯片實現(xiàn)的功能千差萬別，性能方面的要求也因為應(yīng)用領(lǐng)域的差異而不同，即使同樣功能的ip模塊在速度、面積、功耗、對外接口等方面也表現(xiàn)各異包裝器模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4 所示。圖4 包裝器模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過包裝器模式的封裝，能適配各種ip 接口。即用法包裝器模式來調(diào)節(jié)組件接口以適應(yīng)于環(huán)境要求。包裝器模式的匹配程度，對ip component 的接口與其他的接口舉行匹配的工作量各個wrappermodel 可能不一樣。從容易的接口轉(zhuǎn)換(例如轉(zhuǎn)變操作名) 到支持徹低不同的操作集合，wrappermodel 的工作量取決于component 接口與需要轉(zhuǎn)換接口的相像程度。結(jié)束語在soc設(shè)計中，可重用性是應(yīng)當(dāng)考慮的一個很重要的因素. 除了ip復(fù)用，設(shè)計的可重用也是十分重用的。在