基于可配置處理器的嵌入式系統(tǒng)ESL設(shè)計需求

當(dāng)使用多顆處理器尤其是使用可配置處理器來設(shè)計SoC時，將會遇到一些關(guān)鍵問題，包括：

* 一個或一組應(yīng)用需要使用多少顆處理器

* 應(yīng)如何配置、擴展這些處理器

* 處理器采用同構(gòu)方式還是異構(gòu)方式

* 處理器之間如何通信？采用標(biāo)準(zhǔn)總線，還是片上網(wǎng)絡(luò)(NoC)，采用點到點方式，或是多種方式的組合。

* 如何選擇正確的并行模式，是流水線還是多線程？

* 工程師如何從應(yīng)用程序中提取可并行執(zhí)行的任務(wù)？又怎樣分解他們？

* 在可配置處理器，多處理器，新的通信架構(gòu)以及內(nèi)存選擇等多種可供選擇的技術(shù)下，如何能得到多種設(shè)計方案并進行對比？

* 在90nm以下的工藝流程上，如何從10個處理器的設(shè)計擴展到100個，甚至1000個處理器？

如今EDA供應(yīng)商所提供的ESL工具還不足以解決這些問題?？膳渲锰幚砥鱅P廠商的工具提供了以下流程幫助工程師進行設(shè)計：從已有的應(yīng)用程序或算法的軟件代碼開始；分解成多個同步處理進程；將各個進程分別映射到已經(jīng)優(yōu)化過的處理器上，這些處理器之間有著理想的通信網(wǎng)絡(luò)；迭代處理器定義和進程映射；分析處理器間通信網(wǎng)絡(luò)的需求；設(shè)計并行控制和調(diào)度模塊；涉及通信網(wǎng)絡(luò)(包括存儲器、總線、隊列等)；分析結(jié)果并且迭代其他可能的配置；反復(fù)迭代優(yōu)化直至實現(xiàn)滿足設(shè)計需求的MPSoC系統(tǒng)；實現(xiàn)軟件/硬件的具體設(shè)計。

這種自上至下、以應(yīng)用需求為驅(qū)動的設(shè)計流程，在一些MPSoC子系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計中是非常適合的。尤其是當(dāng)需要一個全新的功能，或者之前的系統(tǒng)設(shè)計方案不足以支持新標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序的開發(fā)時，這種從設(shè)計需求和應(yīng)用程序的特征出發(fā)進行設(shè)計的方法，往往可以得到最優(yōu)的解決方案。使用這種方法定義系統(tǒng)的體系架構(gòu)時，通過模擬、分析，并迭代得出使用處理器的種類和數(shù)量，內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)以及通信子系統(tǒng)等等是非常有效的。

MPSoC ESL設(shè)計方法需要提供很多功能，這些需要包含在集成開發(fā)環(huán)境(IDE)中，如系統(tǒng)建模，程序映射，各種設(shè)計方案對比，以及對可配置處理器的配置修改。

IDE是最引人注目的部分。Eclipsez作為一個開源軟件，對擴展已有的軟件工具、器件、調(diào)試軟件都有很好的支持，而這些功能可以使得MPSoC ESL設(shè)計在更抽象的層次上進行。比如可以在Eclipse中加入處理器創(chuàng)建、擴展的用戶配置界面，將用戶的配置轉(zhuǎn)化成基于某種特定語言描述的指令擴展，之后交給外部的特定編譯器進行編譯。因為這一擴展被編譯成RTL級的描述，在這種意義下可以使用IDE定制和實現(xiàn)一個軟硬件系統(tǒng)。

IDE軟件提供的項目編輯功能可以支持設(shè)計輸入、修改、映射到特定處理器等操作。同時還要能夠配置處理器、內(nèi)存、通信接口、總線以及外設(shè)等設(shè)備，用以搭建一個完整的系統(tǒng)。IDE還需要支持系統(tǒng)級仿真，可以裝載處理器的ISS，能夠裝載整個系統(tǒng)的仿真模型，靜態(tài)或動態(tài)的追蹤系統(tǒng)級上發(fā)生的事件，能統(tǒng)計處理器的執(zhí)行狀況并記錄數(shù)據(jù)，并通過圖形界面向用戶顯示。并需提供分析工具，使得用戶可以方便得到傳輸延遲、資源競爭、處理器等待、內(nèi)存的使用狀況，以及處理器數(shù)據(jù)讀取的平衡狀況等系統(tǒng)級信息。

IP的參數(shù)(meta-data)和一些臨時信息需要使用標(biāo)準(zhǔn)的格式來存儲。近來XML格式被廣泛的使用到工具中，如Mentor Graphics的Platform Express等等。基于XML格式排版的文件很容易被擴展，解析和生成，所以是一種描述存儲系統(tǒng)架構(gòu)和參數(shù)的極具吸引力的方法。

有了系統(tǒng)架構(gòu)的信息，也有了標(biāo)準(zhǔn)格式的ISS模型，便可以生成系統(tǒng)仿真模型用于系統(tǒng)測試。許多已有的ISS支持在SystemC環(huán)境中運行，這樣便可以和總線模型、內(nèi)存模型、硬件模塊模型、外設(shè)模型等其他系統(tǒng)模型在事務(wù)級上進行互聯(lián)、仿真。TLM在ESL方??中是一個非常重要的概念，但到目前為止還沒有為TLM上的互操作定義標(biāo)準(zhǔn)。由于沒有一個可用的OSCI TLM標(biāo)準(zhǔn)，考慮到OSCI工作的不透明性質(zhì)和其缺乏一個發(fā)展的路線圖，ESL世界里的系統(tǒng)仿真必須繼續(xù)依賴于IP提供商提供的可供互聯(lián)的適配器和用戶自己對“事務(wù)”這一概念的理解。

快速功能仿真，有時也被稱為“虛擬系統(tǒng)原型”，是對周期精確型的TLM模型的重要補充。周期精確型的TLM模型允許對系統(tǒng)運行時的細(xì)節(jié)進行分析，每秒鐘只能運行數(shù)千個周期或再多一些，而快速功能仿真則可以數(shù)百萬個周期每秒的速度運行，這對軟件的開發(fā)有著特別的意義。

可配置處理器是高性能MPSoC系統(tǒng)的核心，通過擴展指令的自動生成技術(shù)使得在設(shè)計的最后階段仍可修改系統(tǒng)配置。通過在設(shè)計的早期階段自動生成的配置和擴展ISA，可將最初的任務(wù)映射到這個處理器上，當(dāng)處理器發(fā)生變化，任務(wù)需要重新被映射時，該過程可以快速反復(fù)迭代進行。通過手動對設(shè)計進行改善，最終可以通過提高進程效率，從而降低處理器頻率，達到設(shè)計目標(biāo)。自動生成的軟件工具鏈(包括編譯器、ISS、調(diào)試器和IDE擴展功能模塊)允許對處理器的每一個修改都可以反映到整體系統(tǒng)中。

本文小結(jié)

復(fù)雜的多顆可配置處理器組成的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計對現(xiàn)今的ESL工具提出了更高的要求，這些需求似乎更像是應(yīng)該由IP供應(yīng)商來提供，而不是EDA工具廠商。雖然仍可以使用通用的ESL工具，但具體的流程和特定工具都將是與所使用的IP直接相關(guān)的。