SOC設(shè)計(jì)流程及其集成開發(fā)環(huán)境

片上系統(tǒng)（SOC——SystemOnaChip）是指在單芯片上集成微電子應(yīng)用產(chǎn)品所需的全部功能系統(tǒng)，其是以超深亞微米（VDSMVery Deep Subnicron）工藝和知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP——Intellectual Property）核復(fù)用（Reuse）技術(shù)為支撐。

SOC技術(shù)是當(dāng)前大規(guī)模集成電路（VLSI）的發(fā)展趨勢，也是世紀(jì)集成電路技術(shù)的主流，其為集成電路產(chǎn)業(yè)和集成電路應(yīng)用技術(shù)提供了前所未有的廣闊市場和難得的發(fā)展機(jī)遇。SOC為微電子應(yīng)用產(chǎn)品研究、開發(fā)和生產(chǎn)提供了新型的優(yōu)秀的技術(shù)方法和工具，也是解決電子產(chǎn)品開發(fā)中的及時(shí)上市（TTM——Time to Market）的主要技術(shù)與方法。

片上系統(tǒng)（SOC）引入導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法變革

就目前現(xiàn)狀而言，若以嵌入式系統(tǒng)所采用的核心器件——處理器進(jìn)行劃分，嵌入式系統(tǒng)可以分為三種類型：基于微控制器（MCU）的嵌入式系統(tǒng)、基于信號(hào)處理器（DSP）的嵌入式系統(tǒng)、基于微處理器（MPU）的嵌入式系統(tǒng)。其中基于MCU的嵌入式系統(tǒng)是一種低端嵌入式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)共同的特點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行速度低、數(shù)據(jù)處理能力弱和存儲(chǔ)空間有限（K級(jí)），因此只適合于低端的電子產(chǎn)品；基于DSP的嵌入式系統(tǒng)是中低端嵌入式系統(tǒng)，這種系統(tǒng)共同特點(diǎn)是系統(tǒng)運(yùn)行速度較高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，但是存儲(chǔ)空間也是有限的（K級(jí)M級(jí)）；基于MPU的嵌入式系統(tǒng)通?？梢苑譃閮煞N類型：基于CISC架構(gòu)微處理器的嵌入式系統(tǒng)和基于RISC架構(gòu)微處理器的嵌入式系統(tǒng)。

其中，CISC架構(gòu)微處理器通常是由x體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行嵌入應(yīng)用擴(kuò)展而獲得一種類型的嵌入式處理器；RISC架構(gòu)嵌入式微處理器可以分為三大體系結(jié)構(gòu)：arm體系結(jié)構(gòu)、PowerPC體系結(jié)構(gòu)和MIPS體系結(jié)構(gòu)?；谶@三大體系結(jié)構(gòu)的嵌入式處理器品種繁多，功能也各異。但基于此類處理器的嵌入式系統(tǒng)共同特點(diǎn)是運(yùn)行速度高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、存儲(chǔ)空間足夠大（G級(jí)），因此是一種高端的嵌入式系統(tǒng)。

無論是低端、中端或高端嵌入式系統(tǒng)，其經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法仍然是一種板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：首先，根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并且按一定的設(shè)計(jì)規(guī)則，把整個(gè)嵌入系統(tǒng)劃分成具有特定功能的若干個(gè)功能模塊，如處理器模塊、信號(hào)采集模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制模塊等；然后，根據(jù)系統(tǒng)模塊劃分的結(jié)果，選擇現(xiàn)成已商品化的模塊或自行研制各功能模塊；最后，把這些模塊組合成一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和嵌入式系統(tǒng)小型化和微型化等方面要求，板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)開始出現(xiàn)如下幾個(gè)方面的變化：

（1）嵌入式系統(tǒng)的核心器件——處理器（包括MCUDSP和MPU等）已經(jīng)開始向單芯片系統(tǒng)方向發(fā)展。例如經(jīng)典8051系列微控制器已經(jīng)從原來只有簡單的并行I/O和串行接口（UART）發(fā)展到具有并行I/O、多UART接口、紅外線傳輸、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、模擬比較器、可編程模擬信號(hào)放大器、濾波器、PWM等的可編程片上系統(tǒng)（SOPC）型MCU芯片，即只需要極其少量的外圍器件就可以完成一個(gè)具有特定功能的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作；

（2）嵌入式系統(tǒng)的核心器件——處理器（包括MCUDSP和MPU等）已經(jīng)開始向平臺(tái)級(jí)芯片方向發(fā)展，目前所推出的高檔嵌入式處理器，無論是基于arm體系結(jié)構(gòu)、PowerPC體系結(jié)構(gòu)還是基于MIPS體系結(jié)構(gòu)的高檔嵌入式處理器，在單芯片上不僅具有各種功能的外圍接口，而且通常內(nèi)置有RISC協(xié)處理器（例如RISC微控制器數(shù)字信號(hào)處理器等），同時(shí)還具有測試和自開發(fā)接口，因此完全可以把其認(rèn)為是一種硬件平臺(tái)級(jí)芯片，這樣使得嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)重點(diǎn)由板級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到芯片級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

（3）嵌入式系統(tǒng)的核心器件——處理器（包括MCUDSP和MPU等）已經(jīng)向高處理速度方向發(fā)展，從而使板級(jí)電子系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)難度增加，設(shè)計(jì)重點(diǎn)不僅是PCB版圖設(shè)計(jì)，更重要的是電磁兼容性和系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)。由此可見，由于嵌入式系統(tǒng)的核心部件——處理器向片上系統(tǒng)（SOC）發(fā)展板級(jí)設(shè)計(jì)工作量逐漸減少，未來的嵌入系統(tǒng)的發(fā)展的重點(diǎn)將從板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)到芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)上（即轉(zhuǎn)移到片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)上）。因此，基于片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)方法必將成為未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展主流；

對(duì)于一般的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來講，尤其是國內(nèi)的嵌人式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來講，基于片上系統(tǒng)（SOC）的設(shè)計(jì)方法還是主要停留在板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法層次，即利用已經(jīng)推出的商用SOC芯片進(jìn)行板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這主要是由于設(shè)計(jì)工具資金集成電路工藝等方面的限制所致，但是由于近年來多晶圓（MPW）項(xiàng)目和CPLD/FPGA技術(shù)的發(fā)展，尤其是可編程片上系統(tǒng)（SOPC——SystemonaProgrammablechip）芯片的出現(xiàn)使得一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者進(jìn)入芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為可能。自從1999年出現(xiàn)第一個(gè)可編程片上系統(tǒng)（SOPC）器件以來，已經(jīng)有眾多可編程器件供應(yīng)商推出了具有自己特色的可編程器件，最為典型的是世界上兩大可編程器件供應(yīng)商——Xilinx公司和Altera公司在FPGA/CPLD基礎(chǔ)推出的系列可編程片上系統(tǒng)器件。其中Xilinx公司先后推出的可編程片上系統(tǒng)器件有Virtex系列VirtexE系列、VirtexII系列、VirtexPro系列、Spaxtan系列、SpartanII系列等；Altera公司先后推出的可編程片上系統(tǒng)器件有APEX系統(tǒng)、APEX II系列、Mercury系列、Excalibur系列、Stratix系列、Cyclone系列等。每個(gè)系列器件都有多種產(chǎn)品，以適用于不同的應(yīng)用要求。因此，對(duì)于國內(nèi)一般的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來講，基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）器件的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)將是進(jìn)入芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的敲門磚。

那么，從板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)到芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變將導(dǎo)致哪些方面的變化？主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）在設(shè)計(jì)描述工具方面，傳統(tǒng)的板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用電路原理圖和元器件外形封裝圖作為設(shè)計(jì)描述語言工具而現(xiàn)在的芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用文本方式的硬件描述語言（HDL——Hardware Description Language）作為設(shè)計(jì)描述語言工具

（2）在設(shè)計(jì)流程方面板極電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要經(jīng)歷電子系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)與仿真、印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)與仿真分板（包括信號(hào)完整性分析、電磁兼容性分析等）等二個(gè)階段，而芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常需要經(jīng)歷系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)與仿真、算法級(jí)設(shè)計(jì)與仿真、寄存器傳輸級(jí)（RTL）設(shè)計(jì)與仿真、邏輯綜合與驗(yàn)證、版圖設(shè)計(jì)綜合與驗(yàn)證等個(gè)階段；

（3）在軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方面，板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的方法是先進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)后再進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，難以實(shí)現(xiàn)軟硬同步設(shè)計(jì)或協(xié)同設(shè)計(jì)，而芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以比較容易實(shí)現(xiàn)軟硬件同時(shí)設(shè)計(jì)或協(xié)同設(shè)計(jì)；

（4）在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方面，板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于具有特定功能的集成電路器件，而芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是基于具有特定功能的電路模塊——知識(shí)產(chǎn)權(quán)核（IP核）。因此，板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)無論是在設(shè)計(jì)方法上還是在設(shè)計(jì)工具方面都發(fā)生了較大的變化。

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品生命周期越來越短，特別是電子工業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，基于深亞微米和超深亞微米的超大規(guī)模集成電路技術(shù)的片上系統(tǒng)（SOC）芯片需求日益擴(kuò)大，傳統(tǒng)的板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已不能適應(yīng)產(chǎn)業(yè)界對(duì)電子產(chǎn)品需求。因此，基于知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核復(fù)用的芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法將成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流方式。

基于可編程片上系統(tǒng)（SoPC）的設(shè)計(jì)流程

基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）的芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有兩大支撐點(diǎn)：可編程片上系統(tǒng)器件所能提供的片上資源和可復(fù)用IP核庫所能提供的IP核資源。其中可編程片上系統(tǒng)器件所能提供的片上資源是由集成電路工藝技術(shù)發(fā)展決定的，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來講，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求盡量選擇合適的器件；可復(fù)用TP核庫所能提供的IP核資源需要通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)者自行建設(shè)。在基于SOC的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，針對(duì)各類專門技術(shù)、專門應(yīng)用、專門工具、專門生產(chǎn)工藝、專門產(chǎn)品的IP資源庫的建設(shè)和共享已形成一種規(guī)范，貫穿在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程。圖1為典型的基于IP核庫的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)流程：

從圖1可以看出，在基于可編程上系統(tǒng)（SOPC）的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中，除了需要強(qiáng)有力的EDA設(shè)計(jì)工具支持外，離開充分的資源庫的支持，可以說是寸步難行，并且必將失去競爭力。從總體上講，各個(gè)層次的IP庫和EDA工具是芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必備的兩翼，可選的IP核庫資源是一種設(shè)計(jì)者能力的表征。圖2為芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中自頂向下設(shè)計(jì)方法的流程中所依賴的庫支持說明。

在圖1的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)流程中，除了需要強(qiáng)有力的IP核庫和EDA工具支持外，與傳統(tǒng)的專用集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)流程最明顯的區(qū)別就是——軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，圖3給出軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的一般流程。

在軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的過程中，傳統(tǒng)的硬件描述語言（VHDL、Verilog HDL）和軟件設(shè)計(jì)語言（C/C++）是無法適應(yīng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)這一種新的設(shè)計(jì)方法上的突破，為此必須使用新的系統(tǒng)級(jí)描述語言——S 3.基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）的集成設(shè)計(jì)環(huán)境片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計(jì)所需要的EDA工具，若從硬件設(shè)計(jì)角度看，在設(shè)計(jì)流程的前端與ASIC設(shè)計(jì)差別不大。但是，從整個(gè)芯片設(shè)計(jì)角度出發(fā)，這兩種類型的芯片設(shè)計(jì)區(qū)別較大。這是因?yàn)椋赟OC設(shè)計(jì)中，一般都含有微處理器，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)級(jí)芯片都必須有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與操作系統(tǒng)或嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)接口，必須有應(yīng)用程序完成數(shù)字計(jì)算、信號(hào)處理變換、控制決策等功能。因此，在設(shè)計(jì)的前期需要進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，以便確定那些功能是由硬件完成的，那些功能是由軟件完成的，并且進(jìn)行適當(dāng)劃分。在設(shè)計(jì)的中后期，要進(jìn)行軟硬件協(xié)同驗(yàn)證，即把軟硬件設(shè)計(jì)放到一個(gè)虛擬的集成環(huán)境中進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以便驗(yàn)證硬件的性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，軟件功能是否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)可編程片上系統(tǒng)（SOPC）設(shè)計(jì)流程和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的一般流程作者提出基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）的芯片級(jí)電子系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)環(huán)境如圖所示此集成環(huán)境是一種典型的軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)集成環(huán)境（或平臺(tái)）是由二個(gè)不同層次不同功能的EDA集成設(shè)計(jì)環(huán)境組成

第一層次的EDA集成設(shè)計(jì)環(huán)境是SOC系統(tǒng)級(jí)集成設(shè)計(jì)環(huán)境主要用于完成嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)首先需要根據(jù)客戶的要求進(jìn)行系統(tǒng)的功能定義和性能評(píng)估以便確定系統(tǒng)規(guī)格其次根據(jù)已經(jīng)確定的系統(tǒng)規(guī)格應(yīng)用系統(tǒng)級(jí)描述語言（C/C++或System C等）進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述與設(shè)計(jì)驗(yàn)證以便確定所定義的系統(tǒng)規(guī)格在功能上是否可以實(shí)現(xiàn)再次在證明了系統(tǒng)規(guī)格在功能上可以實(shí)現(xiàn)后就需要進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件功能劃分以便確定系統(tǒng)的哪些功能是由軟件系統(tǒng)完成的哪些功能是由硬件系統(tǒng)完成的哪些功能需要軟硬件協(xié)同完成對(duì)于既可以通過軟件系統(tǒng)完成也可以通過硬件系統(tǒng)完成的功能需要進(jìn)行性能與成本的評(píng)估最后對(duì)已經(jīng)確定的硬件系統(tǒng)功能還需要進(jìn)行芯片與PCB功能的劃分以便確定哪些功能可以在芯片上實(shí)現(xiàn)哪些功能只能在PCB上實(shí)現(xiàn)

第二層次的EDA集成設(shè)計(jì)環(huán)境是SOC硬件系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)環(huán)境和SOC軟件系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)環(huán)境主要用于完成嵌入式系統(tǒng)的軟硬系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先根據(jù)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中的功能劃分分別進(jìn)行SOC的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和SOC的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)此時(shí)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是并行進(jìn)行的在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常經(jīng)歷幾個(gè)設(shè)計(jì)階段行為描述與驗(yàn)證（包括硬件系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)算法級(jí)寄存器傳輸級(jí)的行為描述與仿真驗(yàn)證）邏輯綜合與驗(yàn)證可測性設(shè)計(jì)綜合與邏輯生成器件適配與仿真驗(yàn)證器件物理編程與物理驗(yàn)證版圖生成與驗(yàn)證其中前個(gè)設(shè)計(jì)階段是基于SOPC的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通常經(jīng)歷如下幾個(gè)階段軟件系統(tǒng)編輯軟件系統(tǒng)編譯軟件系統(tǒng)仿真調(diào)試軟件系統(tǒng)編程等其次在軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中為了確保系統(tǒng)的性能價(jià)格比達(dá)到最優(yōu)需要不斷進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)通常在硬件系統(tǒng)行為描述與仿真之后就可以把所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)置于虛擬器件的軟硬件協(xié)同仿真驗(yàn)證環(huán)境中以便驗(yàn)證硬件系統(tǒng)集成的系統(tǒng)所能達(dá)到的功能性能成本等從而使得所實(shí)現(xiàn)的芯片級(jí)電子系統(tǒng)的性能價(jià)格比達(dá)到最優(yōu)

綜上所述基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）的嵌入式系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)環(huán)境是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的集成EDA開發(fā)環(huán)境常見的可編程片上系統(tǒng)集成化EDA開發(fā)套件——Altera公司的Quartus II系列的EDA工具套件和Xilinx公司的ISE.x系列的EDA工具套件的儲(chǔ)存成化程度雖然較高但也難以達(dá)到圖所示的集成化程度因此需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)者根據(jù)現(xiàn)有的商用化EDA工具構(gòu)建這樣的集成設(shè)計(jì)環(huán)境有理由相信在不久的將來將會(huì)推出類似的集成EDA工具環(huán)境

片上系統(tǒng)（SOC）是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展方向

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是微處理器由于集成電路技術(shù)的發(fā)展以及電子產(chǎn)品及時(shí)面市的要求促使微處理器（包括微控制器數(shù)字信號(hào)處理器嵌入式處理器）向單芯片系統(tǒng)方向發(fā)展從而使得基于片上系統(tǒng)（SOC）的電子系統(tǒng)成為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向和主流目前國內(nèi)的基于片上系統(tǒng)（SOC）的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)大都停留在板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平隨著可編程片上系統(tǒng)（SOPC）器件的應(yīng)用發(fā)展相信在今后的若干年內(nèi)基于SOC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)逐漸過渡到芯片級(jí)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平由于芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有著本質(zhì)的區(qū)別因此了解與掌握芯片級(jí)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程集成設(shè)計(jì)環(huán)境對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來講是至關(guān)重要的為此本文以圖示方式直觀地給出基于可編程片上系統(tǒng)（SOPC）的芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和集成設(shè)計(jì)環(huán)境全面展示了芯片級(jí)電子系統(tǒng)所涉及到的問題ystem C（或其他類似語言）才能完成

軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)通常是從一個(gè)給定的系統(tǒng)任務(wù)開始的通過有效地分析系統(tǒng)任務(wù)和所需要的資源采用一系列的變換方法并且遵循特定的準(zhǔn)則自動(dòng)生成符合系統(tǒng)功能要求的符合實(shí)現(xiàn)代價(jià)約束的硬件和軟件框架這種全新的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)思想需要解決許多問題系統(tǒng)級(jí)建模系統(tǒng)級(jí)描述語言軟硬件劃分性能評(píng)估協(xié)調(diào)綜合協(xié)同仿真和協(xié)同、驗(yàn)證。