片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計與EDA

利用EDA工具和硬件描述語言（HDL），根據(jù)產(chǎn)品的特定要求設(shè)計性能價格比高的片上系統(tǒng)，是目前國際上廣泛使用的方法。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法不同，在設(shè)計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進行調(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、仿真和調(diào)試具有自己特色的快速算法電路和接口，并通過綜合和布線工具自動轉(zhuǎn)換為電路結(jié)構(gòu)，與制造廠家的單元庫、宏庫及硬核對應(yīng)起來，通過仿真驗證后，即可投片制成專用的片上系統(tǒng)（SOC)集成電路。

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

近10年來我國的電子工業(yè)取得了很大的進步，無論在消費類產(chǎn)品如電視、錄像機還是在通信類產(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，大多需要進口，每年需要花費大量外匯來購買。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)品使用的新芯片價格昂貴，研制能在國際高檔產(chǎn)品市場競爭的電子產(chǎn)品和設(shè)備非常困難。我國目前能在國際市場上競爭的電子產(chǎn)品大多數(shù)還是中低檔的。由于核心芯片大多需要進口，因此利潤非常低，主要依靠我國相對較廉價的勞動力才能在市場中生存。

在21世紀的頭5年中，如果我們還不能掌握核心芯片的設(shè)計和制造技術(shù)，電子工業(yè)很難在20年內(nèi)趕上國際先進水平。核心芯片的設(shè)計是高級技術(shù)，但并非每一種核心芯片都是非常難設(shè)計和制造的，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)進行仿真來調(diào)試匯編程序和接口信號。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)計思路并能主動深入地學習HDL語言，不但能設(shè)計出具有自己知識產(chǎn)權(quán)的微控制器和線路板，甚至能設(shè)計出幾萬門甚至幾百萬門的專用數(shù)字信號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)計的復(fù)雜性，必須有一種語言能在各個層面上精確地為各種電路行為和結(jié)構(gòu)建立模型，以便在計算機上對設(shè)計是否正確進行仿真。HDL特別是Verilog HDL得到在第一線工作的設(shè)計工程師的特別青睞，不僅因為HDL與C語言很相似，學習和掌握它并不困難，更重要的是它在復(fù)雜的SOC的設(shè)計上所顯示的非凡性能和可擴展能力。在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的仿真領(lǐng)域，HDL早在10多年前就已得到全世界數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計工程師的廣泛承認，是目前世界上應(yīng)用最普及的硬件描述語言。特別是近年來在數(shù)字系統(tǒng)自動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。Open Verilog International(以下簡稱OVI)組織，最近已公布Verilog-AMS語言參考手冊（Language Refe-rence Manual，以下簡稱LRM）的草案，在這個草案里定義了這種可用于模擬和數(shù)字混合信號系統(tǒng)設(shè)計的硬件描述語言。 Verilog-AMS硬件描述語言是符合IEEE 1364標準的Verilog HDL的1個子集。它覆蓋了由OVI組織建議的Verilog HDL的定義和語義，目的是讓數(shù)?；旌闲盘柤呻娐返脑O(shè)計者，既能用結(jié)構(gòu)描述又能用高級行為描述來創(chuàng)建和使用模塊。所以，用Verilog HDL語言可以使設(shè)計者在整個設(shè)計過程的不同階段（從結(jié)構(gòu)方案的分析比較，直到物理器件的實現(xiàn)），均能使用不同級別的抽象。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)計優(yōu)化工具和設(shè)計自動化工具。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，通過諸如手機、商務(wù)通等新電子產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，不難想像它們確實是設(shè)計方法革命性變革的產(chǎn)物。

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

由于數(shù)字系統(tǒng)的基本部件比較簡單,無非是一些與門、或門、非門、觸發(fā)器、多路器等，宏器件無非是一些加法器、乘法器等。設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的EDA工具也比較容易免費得到,一些簡單的CPU核也可以在網(wǎng)上免費得到，即使是很先進的CPU核，如果需要投片即制成真正的ASIC，也可以通過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來驗證所設(shè)計的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)是否正確。要做到這一點首先要搞清楚1個概念：這些數(shù)字系統(tǒng)的基本部件、宏器件或CPU核都是用HDL語言描述的，有的使用結(jié)構(gòu)級的描述；有的采用用戶自定義原語UDP（即邏輯真值表）描述；有的使用寄存器傳輸級描述；有的使用高級行為描述。不管用哪一級別的HDL語言，它們都屬于HDL語言（不是Verilog HDL,就是VHDL）。由于描述數(shù)字系統(tǒng)的HDL語言比較成熟，使用的年代比較長，仿真和綜合工具已經(jīng)成熟，開展這一領(lǐng)域的設(shè)計工作已沒有什么大的困難。SOC的設(shè)計可以先從單純的數(shù)字系統(tǒng)開始，在這個基礎(chǔ)上再開展數(shù)?；旌闲盘栂到y(tǒng)的設(shè)計，可節(jié)省大量投資。電子芯片的設(shè)計已經(jīng)成為一種國際性的行業(yè)，許多年輕人有熱情參與這一項挑戰(zhàn)性行業(yè)。我國在提高工程教育質(zhì)量的基礎(chǔ)上，在腦力密集型知識產(chǎn)業(yè)方面有很大的優(yōu)勢。我們的電子專業(yè)大學生，大多數(shù)有很好的邏輯思維能力。關(guān)鍵是這項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、標準化和可重用性，以減少重復(fù)勞動，達到提高國際競爭能力的目的。

為進一步減輕建模的重擔，美國許多EDA公司最近紛紛引進了用于新型通信系統(tǒng)的部件庫。據(jù)報道，這些部件庫可讓設(shè)計小組的成員修改模型的方程來開發(fā)各種不同的模型，所需的開發(fā)時間只是原先所需時間的一小部分，所有這些模型都與新的數(shù)?；旌螲DL標準兼容。例如, Mentor Graphics公司除了宣布新的部件庫外，最近還透露了與Motorola公司合作搞了1個語言開發(fā)計劃，旨在為SOC的開發(fā)提供1條新的途徑，以激勵在多種芯片的設(shè)計領(lǐng)域中發(fā)展混合信號的應(yīng)用（包括在電磁傳感器和射頻通信芯片設(shè)計中），這能使工程師們從傳統(tǒng)的以Spice為基礎(chǔ)的模擬設(shè)計方法轉(zhuǎn)到更簡單的具有系統(tǒng)風格的自上而下的設(shè)計方法。采用這種方法就能把用不同的行為描述語言表達的混合信號部件模型放到1個設(shè)計中，來驗證整個設(shè)計。許多高技術(shù)公司不但引進各種可改變參數(shù)的部件庫，還在努力開發(fā)模擬數(shù)字混合SOC的設(shè)計仿真工具。下面列出國外一些公司在數(shù)?；旌蟂OC方面最新的技術(shù)動態(tài):

1? Cadence公司由于把新出現(xiàn)的Verilog-AMS標準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，這樣一個仿真器（即Spectre）就可以在設(shè)計流程的不同層次上應(yīng)用。Cadence公司也提供了Verilog-A的語言調(diào)試檢錯工具和圖形用戶界面。

2? Apteq設(shè)計系統(tǒng)公司在提供他們的Verilog-A產(chǎn)品時也給用戶一些模型示例。Apteq公司還提供1個有特色的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1個獨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，并能正確地評價不同種類的仿真器性能。Verilog-A插入件的工作機制是先把模擬的行為程序通過編譯轉(zhuǎn)化為1種中間的表達，這種表達可以被Spice的硬件描述語言插座（Socket）與其他的Spice部件共同的任務(wù)（如實例抽象、參數(shù)設(shè)置、加載和評價）用來運行。該插入件可提供諸如模擬行為編碼的查錯、優(yōu)化和解剖。而且如果需要仿真、全芯片的驗證和測試，該Verilog-A插入件還有1個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)雜的電子機械系統(tǒng)，它針對一些不同的工業(yè)領(lǐng)域，其中包括汽車工業(yè)、飛機工業(yè)、航天工業(yè)和消費電子工業(yè)。TransVerSE支持Verilog-A、新出現(xiàn)的Verilog-AMS語言、Spice及其模型與子電路，還有用C語言寫的模型。

綜上所述,復(fù)雜SOC的設(shè)計是一項系統(tǒng)工程,需要組織社會多方面的人才。10多年來，國外通過許多高技術(shù)公司與大學研究機構(gòu)的互相合作和支持逐步達到了目前的水平。由于種種原因我國電子高技術(shù)芯片設(shè)計領(lǐng)域與國外交流比較少，國內(nèi)同行也很少聯(lián)系，水平相對落后。大學有關(guān)專業(yè)也缺少有經(jīng)驗和有能力的教師，這些都是我們與美國等先進國家的差距擴大的原因。近幾年來由于Internet的普及，國外EDA工具的引進，許多大FPGA廠商免費贈送的開發(fā)軟件，國內(nèi)產(chǎn)品升級的需求，從國外逐步轉(zhuǎn)移過來的中小型設(shè)計項目，以及年輕的大學畢業(yè)生和研究生們的熱情，使我們有可能在比較短的時間內(nèi)在復(fù)雜數(shù)字SOC設(shè)計領(lǐng)域趕上去。

四、 數(shù)字SOC的設(shè)計——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機為基礎(chǔ)，運用開發(fā)系統(tǒng)廠商提供的軟件和仿真器就可以針對MCU所編寫的匯編進行編譯和調(diào)試，并可以把編譯后的機器代碼下載到樣機系統(tǒng)中運行和調(diào)試。數(shù)字SOC的設(shè)計方法與此很相近，所不同的是我們在做仿真時往往用1個MCU的核來代替真正的MCU。MCU可以是運行在某種FPGA上的固核(Firm Core)或某種ASIC工藝的硬核或是用HDL語言描述的可綜合(或不可綜合)的軟核(或虛擬模塊)。調(diào)試運行在MCU上的匯編與傳統(tǒng)的調(diào)試方法沒有實質(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系統(tǒng)中，才可以進行硬件和軟件配合的調(diào)試；而數(shù)字SOC的設(shè)計環(huán)境可以允許完全在虛擬硬件的環(huán)境下對硬件和軟件的配合進行調(diào)試。因為在這種環(huán)境下各個具體硬件模塊是基于硬件描述語言的，而編譯后的機器代碼是一些二進制磁盤文件,可以通過HDL的系統(tǒng)任務(wù),加載到HDL模塊中的存貯器變量中。調(diào)試的過程可以完全在HDL仿真環(huán)境下進行。如果硬件需要修改，也只要重新編輯或修改個別模塊即可。待調(diào)試基本結(jié)束后，可以把整個硬件系統(tǒng)包括MCU的核加載到1個容量較大的FPGA上進行硬件、軟件聯(lián)合調(diào)試，進行實際電路結(jié)構(gòu)的驗證。這樣的驗證通過以后，硬件的結(jié)構(gòu)就可以確定下來。如果需要的批量比較大，就可以考慮投片，余下的投片驗證和成品率的驗證可以由后端集成電路廠家來做。對于MCU嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計人員來說，要學會SOC的設(shè)計方法并不難，只是改變一下仿真環(huán)境和學習HDL語言。在學習HDL語言時，筆者認為先學習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。在學習HDL語言時，要注意分清該語言兩種不同的應(yīng)用：一種是為自動生成電路結(jié)構(gòu)，另一種是為了調(diào)試正在設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)。目前，能自動生成電路結(jié)構(gòu)的HDL語言子集很小，語法現(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語言包括的語法現(xiàn)象很廣，測試模塊的風格也多種多樣。有興趣的讀者如有一定的C語言編程基礎(chǔ)，也有一些硬件基礎(chǔ)知識，可以在1本好書的指導下，通過自學，在2個月內(nèi)學會，可以從簡單逐步過渡到復(fù)雜的SOC設(shè)計。

五、 介紹1個實用的SOC設(shè)計環(huán)境

ALTERA公司最近推出1款SOC開發(fā)工具套件（名為Excalibur Development Kits）。因為性能比較全面，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)驗證平臺和使用說明書。可以使用的軟件資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，可以進行HDL設(shè)計的仿真、綜合和布局、布線），還有工業(yè)標準的C/C++編譯器?？芍貥?gòu)的硬件平臺可以用來驗證設(shè)計是否正確，在表示硬件結(jié)構(gòu)電路的代碼生成后，通過PC機加載，可以重構(gòu)其電路，通過運行重構(gòu)的電路來達到驗證的目的。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)，運行最高速度可達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上實現(xiàn)其電路結(jié)構(gòu)的運行是非常容易的，也不需要付專利費。這種CPU核是1種參數(shù)化的軟核，設(shè)計人員可以根據(jù)應(yīng)用的需要對CPU核本身進行優(yōu)化，還可以增加外圍電路的功能。這些工作無非是編寫一些新的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Nios核來并行處理，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上實現(xiàn)。所以，筆者認為SOC的設(shè)計并非是遙遠不可及的事情。我們可以購買1套這樣的系統(tǒng)，先從FPGA的開發(fā)做起，再根據(jù)市場的需求數(shù)量，決定是否移植到ASIC上。由于我們的設(shè)計由可綜合風格的HDL模塊來描述，所以移植時也相對比較容易，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結(jié)構(gòu)仿真驗證，如果沒有問題即可交給集成電路廠家做投片試驗。

結(jié)束語

希望大家在原有工作的基礎(chǔ)上，盡快掌握利用HDL語言的設(shè)計方法，利用相對比較便宜的高層次FPGA開發(fā)工具，把SOC的開發(fā)工作搞起來。爭取在下一個5年中，基礎(chǔ)芯片的設(shè)計工作有較大的進步，這樣電子工業(yè)發(fā)展就有了較好的基礎(chǔ)。讓我們?yōu)閷崿F(xiàn)這個共同目標一起努力工作。