片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)與EDA

利用EDA工具和硬件描述語(yǔ)言（HDL），根據(jù)產(chǎn)品的特定要求設(shè)計(jì)性能價(jià)格比高的片上系統(tǒng)，是目前國(guó)際上廣泛使用的方法。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不同，在設(shè)計(jì)開始階段并不一定需要具體的單片微控制器（MCU）和開發(fā)系統(tǒng)(仿真器)以及帶有外圍電路的線路板來(lái)進(jìn)行調(diào)試，所需要的只是由集成電路制造廠家提供的用HDL描述的MCU核和各種外圍器件的HDL模塊。設(shè)計(jì)人員在EDA工具提供的虛擬環(huán)境下，不但可以編寫和調(diào)試匯編程序，也可以用HDL設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試具有自己特色的快速算法電路和接口，并通過(guò)綜合和布線工具自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電路結(jié)構(gòu)，與制造廠家的單元庫(kù)、宏庫(kù)及硬核對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)仿真驗(yàn)證后，即可投片制成專用的片上系統(tǒng)（SOC)集成電路。

一、 芯片設(shè)計(jì)和制造是電子工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)

近10年來(lái)我國(guó)的電子工業(yè)取得了很大的進(jìn)步，無(wú)論在消費(fèi)類產(chǎn)品如電視、錄像機(jī)還是在通信類產(chǎn)品如電話、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面，產(chǎn)品的檔次和產(chǎn)量都有快速的提高。但這些產(chǎn)品的核心部件——芯片，大多需要進(jìn)口，每年需要花費(fèi)大量外匯來(lái)購(gòu)買。許多產(chǎn)品技術(shù)檔次的提高也受制于芯片。由于高檔產(chǎn)品使用的新芯片價(jià)格昂貴，研制能在國(guó)際高檔產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的電子產(chǎn)品和設(shè)備非常困難。我國(guó)目前能在國(guó)際市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)的電子產(chǎn)品大多數(shù)還是中低檔的。由于核心芯片大多需要進(jìn)口，因此利潤(rùn)非常低，主要依靠我國(guó)相對(duì)較廉價(jià)的勞動(dòng)力才能在市場(chǎng)中生存。

在21世紀(jì)的頭5年中，如果我們還不能掌握核心芯片的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，電子工業(yè)很難在20年內(nèi)趕上國(guó)際先進(jìn)水平。核心芯片的設(shè)計(jì)是高級(jí)技術(shù)，但并非每一種核心芯片都是非常難設(shè)計(jì)和制造的，大多數(shù)中低檔電子產(chǎn)品中的片上系統(tǒng)SOC(System on Chip)并不復(fù)雜。目前，我國(guó)許多電子工程師已掌握了傳統(tǒng)的微控制器系統(tǒng)開發(fā)手段:編寫匯編程序，利用開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行仿真來(lái)調(diào)試匯編程序和接口信號(hào)。在這一基礎(chǔ)上，如果掌握一些常用的EDA工具，了解復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路并能主動(dòng)深入地學(xué)習(xí)HDL語(yǔ)言，不但能設(shè)計(jì)出具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微控制器和線路板，甚至能設(shè)計(jì)出幾萬(wàn)門甚至幾百萬(wàn)門的專用數(shù)字信號(hào)處理芯片和片上系統(tǒng)。

二、 掌握HDL是利用EDA工具--開發(fā)片上系統(tǒng)的敲門磚

由于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，必須有一種語(yǔ)言能在各個(gè)層面上精確地為各種電路行為和結(jié)構(gòu)建立模型，以便在計(jì)算機(jī)上對(duì)設(shè)計(jì)是否正確進(jìn)行仿真。HDL特別是Verilog HDL得到在第一線工作的設(shè)計(jì)工程師的特別青睞，不僅因?yàn)镠DL與C語(yǔ)言很相似，學(xué)習(xí)和掌握它并不困難，更重要的是它在復(fù)雜的SOC的設(shè)計(jì)上所顯示的非凡性能和可擴(kuò)展能力。在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真領(lǐng)域，HDL早在10多年前就已得到全世界數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的廣泛承認(rèn)，是目前世界上應(yīng)用最普及的硬件描述語(yǔ)言。特別是近年來(lái)在數(shù)字系統(tǒng)自動(dòng)綜合方面也已顯示出它旺盛的生命力。Verilog HDL還支持模擬電路的設(shè)計(jì)。Open Verilog International(以下簡(jiǎn)稱OVI)組織，最近已公布Verilog-AMS語(yǔ)言參考手冊(cè)（Language Refe-rence Manual，以下簡(jiǎn)稱LRM）的草案，在這個(gè)草案里定義了這種可用于模擬和數(shù)字混合信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件描述語(yǔ)言。 Verilog-AMS硬件描述語(yǔ)言是符合IEEE 1364標(biāo)準(zhǔn)的Verilog HDL的1個(gè)子集。它覆蓋了由OVI組織建議的Verilog HDL的定義和語(yǔ)義，目的是讓數(shù)?；旌闲盘?hào)集成電路的設(shè)計(jì)者，既能用結(jié)構(gòu)描述又能用高級(jí)行為描述來(lái)創(chuàng)建和使用模塊。所以，用Verilog HDL語(yǔ)言可以使設(shè)計(jì)者在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的不同階段（從結(jié)構(gòu)方案的分析比較，直到物理器件的實(shí)現(xiàn)），均能使用不同級(jí)別的抽象。目前，在許多軟件公司的努力下，許多模型的開發(fā)工具正在出現(xiàn)，這必將大大加快模型的開發(fā)過(guò)程。他們提供了模擬電路模型的開發(fā)工具，如電路分析工具、行為建模工具、設(shè)計(jì)優(yōu)化工具和設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具。有的工具能生成電路部件的行為模型，這種行為模型可用于電路的仿真。有聯(lián)想能力的讀者和電子工程師們，通過(guò)諸如手機(jī)、商務(wù)通等新電子產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，不難想像它們確實(shí)是設(shè)計(jì)方法革命性變革的產(chǎn)物。

三、 SOC的設(shè)計(jì)宜先從數(shù)字系統(tǒng) 開始逐步過(guò)渡到數(shù)?；旌舷到y(tǒng)

由于數(shù)字系統(tǒng)的基本部件比較簡(jiǎn)單,無(wú)非是一些與門、或門、非門、觸發(fā)器、多路器等，宏器件無(wú)非是一些加法器、乘法器等。設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的EDA工具也比較容易免費(fèi)得到,一些簡(jiǎn)單的CPU核也可以在網(wǎng)上免費(fèi)得到，即使是很先進(jìn)的CPU核，如果需要投片即制成真正的ASIC，也可以通過(guò)與集成電路制造廠家協(xié)商得到。在投片制造之前，還可以用FPGA來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)是否正確。要做到這一點(diǎn)首先要搞清楚1個(gè)概念：這些數(shù)字系統(tǒng)的基本部件、宏器件或CPU核都是用HDL語(yǔ)言描述的，有的使用結(jié)構(gòu)級(jí)的描述；有的采用用戶自定義原語(yǔ)UDP（即邏輯真值表）描述；有的使用寄存器傳輸級(jí)描述；有的使用高級(jí)行為描述。不管用哪一級(jí)別的HDL語(yǔ)言，它們都屬于HDL語(yǔ)言（不是Verilog HDL,就是VHDL）。由于描述數(shù)字系統(tǒng)的HDL語(yǔ)言比較成熟，使用的年代比較長(zhǎng)，仿真和綜合工具已經(jīng)成熟，開展這一領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工作已沒(méi)有什么大的困難。SOC的設(shè)計(jì)可以先從單純的數(shù)字系統(tǒng)開始，在這個(gè)基礎(chǔ)上再開展數(shù)?；旌闲盘?hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可節(jié)省大量投資。電子芯片的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種國(guó)際性的行業(yè)，許多年輕人有熱情參與這一項(xiàng)挑戰(zhàn)性行業(yè)。我國(guó)在提高工程教育質(zhì)量的基礎(chǔ)上，在腦力密集型知識(shí)產(chǎn)業(yè)方面有很大的優(yōu)勢(shì)。我們的電子專業(yè)大學(xué)生，大多數(shù)有很好的邏輯思維能力。關(guān)鍵是這項(xiàng)工作需要很好地組織和規(guī)劃，提高各種層次模塊的質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化和可重用性，以減少重復(fù)勞動(dòng)，達(dá)到提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的目的。

為進(jìn)一步減輕建模的重?fù)?dān)，美國(guó)許多EDA公司最近紛紛引進(jìn)了用于新型通信系統(tǒng)的部件庫(kù)。據(jù)報(bào)道，這些部件庫(kù)可讓設(shè)計(jì)小組的成員修改模型的方程來(lái)開發(fā)各種不同的模型，所需的開發(fā)時(shí)間只是原先所需時(shí)間的一小部分，所有這些模型都與新的數(shù)?；旌螲DL標(biāo)準(zhǔn)兼容。例如, Mentor Graphics公司除了宣布新的部件庫(kù)外，最近還透露了與Motorola公司合作搞了1個(gè)語(yǔ)言開發(fā)計(jì)劃，旨在為SOC的開發(fā)提供1條新的途徑，以激勵(lì)在多種芯片的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中發(fā)展混合信號(hào)的應(yīng)用（包括在電磁傳感器和射頻通信芯片設(shè)計(jì)中），這能使工程師們從傳統(tǒng)的以Spice為基礎(chǔ)的模擬設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)到更簡(jiǎn)單的具有系統(tǒng)風(fēng)格的自上而下的設(shè)計(jì)方法。采用這種方法就能把用不同的行為描述語(yǔ)言表達(dá)的混合信號(hào)部件模型放到1個(gè)設(shè)計(jì)中，來(lái)驗(yàn)證整個(gè)設(shè)計(jì)。許多高技術(shù)公司不但引進(jìn)各種可改變參數(shù)的部件庫(kù)，還在努力開發(fā)模擬數(shù)字混合SOC的設(shè)計(jì)仿真工具。下面列出國(guó)外一些公司在數(shù)?；旌蟂OC方面最新的技術(shù)動(dòng)態(tài):

1? Cadence公司由于把新出現(xiàn)的Verilog-AMS標(biāo)準(zhǔn)和不同的仿真算法與分析工具以及傳統(tǒng)的Spice網(wǎng)表（netlist）表示方法結(jié)合起來(lái)，這樣一個(gè)仿真器（即Spectre）就可以在設(shè)計(jì)流程的不同層次上應(yīng)用。Cadence公司也提供了Verilog-A的語(yǔ)言調(diào)試檢錯(cuò)工具和圖形用戶界面。

2? Apteq設(shè)計(jì)系統(tǒng)公司在提供他們的Verilog-A產(chǎn)品時(shí)也給用戶一些模型示例。Apteq公司還提供1個(gè)有特色的Verilog-A插入件，它可以把OVI兼容的Verilog-A HDL功能塊加入到現(xiàn)存的Spice仿真環(huán)境中。該產(chǎn)品通過(guò)1個(gè)獨(dú)特的接插件的解決方案提供了統(tǒng)一的高性能的模擬HDL接口，使其能與任何一種Spice類型的仿真器相連接，保證了可移植的HDL的編譯，并能正確地評(píng)價(jià)不同種類的仿真器性能。Verilog-A插入件的工作機(jī)制是先把模擬的行為程序通過(guò)編譯轉(zhuǎn)化為1種中間的表達(dá)，這種表達(dá)可以被Spice的硬件描述語(yǔ)言插座（Socket）與其他的Spice部件共同的任務(wù)（如實(shí)例抽象、參數(shù)設(shè)置、加載和評(píng)價(jià)）用來(lái)運(yùn)行。該插入件可提供諸如模擬行為編碼的查錯(cuò)、優(yōu)化和解剖。而且如果需要仿真、全芯片的驗(yàn)證和測(cè)試，該Verilog-A插入件還有1個(gè)可選的二次編譯模式，可提供高速、本地編碼（native-code）的仿真性能。

3? Transcendent設(shè)計(jì)技術(shù)公司在其產(chǎn)品TransVerSE中提供Verilog-A/AMS的仿真能力。該產(chǎn)品的目的是仿真復(fù)雜的電子機(jī)械系統(tǒng)，它針對(duì)一些不同的工業(yè)領(lǐng)域，其中包括汽車工業(yè)、飛機(jī)工業(yè)、航天工業(yè)和消費(fèi)電子工業(yè)。TransVerSE支持Verilog-A、新出現(xiàn)的Verilog-AMS語(yǔ)言、Spice及其模型與子電路，還有用C語(yǔ)言寫的模型。

綜上所述,復(fù)雜SOC的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要組織社會(huì)多方面的人才。10多年來(lái)，國(guó)外通過(guò)許多高技術(shù)公司與大學(xué)研究機(jī)構(gòu)的互相合作和支持逐步達(dá)到了目前的水平。由于種種原因我國(guó)電子高技術(shù)芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域與國(guó)外交流比較少，國(guó)內(nèi)同行也很少聯(lián)系，水平相對(duì)落后。大學(xué)有關(guān)專業(yè)也缺少有經(jīng)驗(yàn)和有能力的教師，這些都是我們與美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家的差距擴(kuò)大的原因。近幾年來(lái)由于Internet的普及，國(guó)外EDA工具的引進(jìn)，許多大FPGA廠商免費(fèi)贈(zèng)送的開發(fā)軟件，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品升級(jí)的需求，從國(guó)外逐步轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的中小型設(shè)計(jì)項(xiàng)目，以及年輕的大學(xué)畢業(yè)生和研究生們的熱情，使我們有可能在比較短的時(shí)間內(nèi)在復(fù)雜數(shù)字SOC設(shè)計(jì)領(lǐng)域趕上去。

四、 數(shù)字SOC的設(shè)計(jì)——基本工具和方法

熟悉MCU開發(fā)的工程師們都知道，MCU的開發(fā)需要開發(fā)系統(tǒng)。開發(fā)系統(tǒng)通常以PC機(jī)為基礎(chǔ)，運(yùn)用開發(fā)系統(tǒng)廠商提供的軟件和仿真器就可以針對(duì)MCU所編寫的匯編進(jìn)行編譯和調(diào)試，并可以把編譯后的機(jī)器代碼下載到樣機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行和調(diào)試。數(shù)字SOC的設(shè)計(jì)方法與此很相近，所不同的是我們?cè)谧龇抡鏁r(shí)往往用1個(gè)MCU的核來(lái)代替真正的MCU。MCU可以是運(yùn)行在某種FPGA上的固核(Firm Core)或某種ASIC工藝的硬核或是用HDL語(yǔ)言描述的可綜合(或不可綜合)的軟核(或虛擬模塊)。調(diào)試運(yùn)行在MCU上的匯編與傳統(tǒng)的調(diào)試方法沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的差別。主要的差別在于傳統(tǒng)的方法必須把程序代碼加載到樣機(jī)系統(tǒng)中，才可以進(jìn)行硬件和軟件配合的調(diào)試；而數(shù)字SOC的設(shè)計(jì)環(huán)境可以允許完全在虛擬硬件的環(huán)境下對(duì)硬件和軟件的配合進(jìn)行調(diào)試。因?yàn)樵谶@種環(huán)境下各個(gè)具體硬件模塊是基于硬件描述語(yǔ)言的，而編譯后的機(jī)器代碼是一些二進(jìn)制磁盤文件,可以通過(guò)HDL的系統(tǒng)任務(wù),加載到HDL模塊中的存貯器變量中。調(diào)試的過(guò)程可以完全在HDL仿真環(huán)境下進(jìn)行。如果硬件需要修改，也只要重新編輯或修改個(gè)別模塊即可。待調(diào)試基本結(jié)束后，可以把整個(gè)硬件系統(tǒng)包括MCU的核加載到1個(gè)容量較大的FPGA上進(jìn)行硬件、軟件聯(lián)合調(diào)試，進(jìn)行實(shí)際電路結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證。這樣的驗(yàn)證通過(guò)以后，硬件的結(jié)構(gòu)就可以確定下來(lái)。如果需要的批量比較大，就可以考慮投片，余下的投片驗(yàn)證和成品率的驗(yàn)證可以由后端集成電路廠家來(lái)做。對(duì)于MCU嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，要學(xué)會(huì)SOC的設(shè)計(jì)方法并不難，只是改變一下仿真環(huán)境和學(xué)習(xí)HDL語(yǔ)言。在學(xué)習(xí)HDL語(yǔ)言時(shí)，筆者認(rèn)為先學(xué)習(xí)Verilog HDL比較好：一是容易入門；二是接受Verilog HDL代碼做后端芯片的集成電路廠家比較多，現(xiàn)成的硬核、固核和軟核比較多。在學(xué)習(xí)HDL語(yǔ)言時(shí)，要注意分清該語(yǔ)言兩種不同的應(yīng)用：一種是為自動(dòng)生成電路結(jié)構(gòu)，另一種是為了調(diào)試正在設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)。目前，能自動(dòng)生成電路結(jié)構(gòu)的HDL語(yǔ)言子集很小，語(yǔ)法現(xiàn)象非常有限，程序模塊的格式也變化不大，比較好掌握。而為了調(diào)試的HDL語(yǔ)言包括的語(yǔ)法現(xiàn)象很廣，測(cè)試模塊的風(fēng)格也多種多樣。有興趣的讀者如有一定的C語(yǔ)言編程基礎(chǔ)，也有一些硬件基礎(chǔ)知識(shí)，可以在1本好書的指導(dǎo)下，通過(guò)自學(xué)，在2個(gè)月內(nèi)學(xué)會(huì)，可以從簡(jiǎn)單逐步過(guò)渡到復(fù)雜的SOC設(shè)計(jì)。

五、 介紹1個(gè)實(shí)用的SOC設(shè)計(jì)環(huán)境

ALTERA公司最近推出1款SOC開發(fā)工具套件（名為Excalibur Development Kits）。因?yàn)樾阅鼙容^全面，故適用于數(shù)字SOC的開發(fā)。該開發(fā)套件包括SOC開發(fā)所必需的各種工具和資源軟件、可以重構(gòu)的硬件電路結(jié)構(gòu)驗(yàn)證平臺(tái)和使用說(shuō)明書?？梢允褂玫能浖Y源包括供選用的多種嵌入式處理器核、 ALTERA系列FPGA開發(fā)工具（名為Quartus，可以進(jìn)行HDL設(shè)計(jì)的仿真、綜合和布局、布線），還有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C/C++編譯器?？芍貥?gòu)的硬件平臺(tái)可以用來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否正確，在表示硬件結(jié)構(gòu)電路的代碼生成后，通過(guò)PC機(jī)加載，可以重構(gòu)其電路，通過(guò)運(yùn)行重構(gòu)的電路來(lái)達(dá)到驗(yàn)證的目的。開發(fā)軟件包中可嵌入的CPU核有許多種可供選擇，它們都是高性能的RISC結(jié)構(gòu)CPU，其中最高的為64位結(jié)構(gòu)，運(yùn)行最高速度可達(dá)200 MIPS，適用的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣。其中有1種ALTERA公司自行開發(fā)的CPU核（名為Nios），在ALTERA公司APEX系列的FPGA上實(shí)現(xiàn)其電路結(jié)構(gòu)的運(yùn)行是非常容易的，也不需要付專利費(fèi)。這種CPU核是1種參數(shù)化的軟核，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)應(yīng)用的需要對(duì)CPU核本身進(jìn)行優(yōu)化，還可以增加外圍電路的功能。這些工作無(wú)非是編寫一些新的HDL模塊或改寫一些現(xiàn)存的HDL模塊中的參數(shù)，再編譯一下即可完成。這種CPU核只占APEX系列 FPGA芯片的 2%的資源。如果需要提高處理速度，可以用多個(gè)Nios核來(lái)并行處理，這樣的并行系統(tǒng)包括外圍電路完全可以在1塊ALTERA公司的APEX系列的FPGA上實(shí)現(xiàn)。所以，筆者認(rèn)為SOC的設(shè)計(jì)并非是遙遠(yuǎn)不可及的事情。我們可以購(gòu)買1套這樣的系統(tǒng)，先從FPGA的開發(fā)做起，再根據(jù)市場(chǎng)的需求數(shù)量，決定是否移植到ASIC上。由于我們的設(shè)計(jì)由可綜合風(fēng)格的HDL模塊來(lái)描述，所以移植時(shí)也相對(duì)比較容易，所需的只是用ASIC綜合工具（如Synposys或Ambit等）做一下綜合，再用有關(guān)的外圍模型做一下帶布線延遲的門級(jí)結(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)證，如果沒(méi)有問(wèn)題即可交給集成電路廠家做投片試驗(yàn)。

結(jié)束語(yǔ)

希望大家在原有工作的基礎(chǔ)上，盡快掌握利用HDL語(yǔ)言的設(shè)計(jì)方法，利用相對(duì)比較便宜的高層次FPGA開發(fā)工具，把SOC的開發(fā)工作搞起來(lái)。爭(zhēng)取在下一個(gè)5年中，基礎(chǔ)芯片的設(shè)計(jì)工作有較大的進(jìn)步，這樣電子工業(yè)發(fā)展就有了較好的基礎(chǔ)。讓我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)這個(gè)共同目標(biāo)一起努力工作。