電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法學(xué)在SoC設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

本文討論電子系統(tǒng)級(jí)(ESL)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法學(xué)在系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。ESL設(shè)計(jì)是能夠讓SoC設(shè)計(jì)工程師以緊密耦合方式開發(fā)、優(yōu)化和驗(yàn)證復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)和嵌入式軟件的一套方法學(xué)，它還提供下游寄存器傳輸級(jí)(RTL)實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證基礎(chǔ)。已有許多世界領(lǐng)先的系統(tǒng)和半導(dǎo)體公司采用ESL設(shè)計(jì)。他們利用ESL開發(fā)具有豐富軟件的多處理器器件，這些器件為創(chuàng)新終端產(chǎn)品獲得成功提供必需的先進(jìn)功能性和高性能。

　　為什么中國(guó)的電子產(chǎn)業(yè)將會(huì)對(duì)ESL感興趣？因?yàn)橹袊?guó)領(lǐng)先的電子公司正在經(jīng)歷一場(chǎng)對(duì)他們競(jìng)爭(zhēng)力非常關(guān)鍵的轉(zhuǎn)型。通過采納技術(shù)創(chuàng)新策略，中國(guó)將成為純粹的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)提供者，而不是純粹的IP消費(fèi)者。那些擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公司將持有通向IP庫的鑰匙。

　　為成功地執(zhí)行創(chuàng)新策略，中國(guó)公司必須采用創(chuàng)新領(lǐng)先公司所使用的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法學(xué)。ESL設(shè)計(jì)正是這樣一種方法學(xué)。它已經(jīng)被諸多國(guó)際系統(tǒng)和半導(dǎo)體公司采用。在中國(guó)，大唐已率先在中國(guó)3G手機(jī)技術(shù)－TD-SCDMA開發(fā)中采用ESL設(shè)計(jì)，清華大學(xué)及其一些產(chǎn)業(yè)合作單位也采用ESL方法學(xué)開發(fā)先進(jìn)的地面數(shù)字多媒體廣播應(yīng)用。

　　嵌入式軟件驅(qū)動(dòng)SoC設(shè)計(jì)

　 　圖1總結(jié)了市場(chǎng)調(diào)研公司國(guó)際商業(yè)策略(International Business Strategies)對(duì)SoC設(shè)計(jì)工程師所做的調(diào)查數(shù)據(jù)。它表明，兩種主要的SoC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)--與設(shè)計(jì)嵌入式軟件和硬件架構(gòu)的相關(guān)工作量隨著工藝的縮小而急劇增加，而硬件實(shí)現(xiàn)(RTL設(shè)計(jì)、綜合、物理設(shè)計(jì)等)工作量的增加則要少得多。請(qǐng)注意，該調(diào)查提到的嵌入式軟件由半導(dǎo)體制造商提供，這些軟件不包括由系統(tǒng)生產(chǎn)商開發(fā)的使終端產(chǎn)品差異化的軟件。

圖1：隨著工藝節(jié)點(diǎn)的縮小，主要設(shè)計(jì)工作從硬件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)嵌入式軟件和硬件架構(gòu)。

　　主要設(shè)計(jì)工作從硬件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移到嵌入式軟件和硬件架構(gòu)這種顯著變化表明，芯片已真正成為一個(gè)嵌入式系統(tǒng)。

　　嵌入式軟件開發(fā)工作量的增加，主要是由于能夠?qū)崿F(xiàn)消費(fèi)產(chǎn)品之間兼容性和互操作性的無線及多媒體標(biāo)準(zhǔn)(或者其中之一)越來越多。諸如JPEG、MPEG、3G、GSM/EDGE、IEEE 802.11/a/b/g WLAN、藍(lán)牙和UWB等標(biāo)準(zhǔn)，都是現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)獲得商業(yè)成功所必需的。

　　架構(gòu)開發(fā)工作量的增加主要是由于SoC需要集成和優(yōu)化越來越復(fù)雜的處理、存儲(chǔ)資源以及通信協(xié)議，這些對(duì)以必備的性能執(zhí)行嵌入式軟件很有必要。實(shí)際上，先進(jìn)SoC現(xiàn)已采用3個(gè)或更多微處理器以及3個(gè)或更多數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。甚至連主流設(shè)計(jì)也已包含一個(gè)微處理器和兩個(gè)DSP，而包含兩個(gè)微處理器和兩個(gè)DSP的情況也很常見。

　　換句話說，嵌入式軟件現(xiàn)正驅(qū)動(dòng)著SoC設(shè)計(jì)，而且嵌入式軟件對(duì)開發(fā)中國(guó)自己的通信和媒體互操作性標(biāo)準(zhǔn)也非常關(guān)鍵。

　　為什么采用ESL設(shè)計(jì)

　　業(yè)界領(lǐng)先公司采用ESL設(shè)計(jì)是因?yàn)樗乖O(shè)計(jì)工程師能夠及早進(jìn)行軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)和派生設(shè)計(jì)、快速硬件驗(yàn)證以及快速硬件/軟件(HW/SW)驗(yàn)證。它還提供可以用來驗(yàn)證下游RTL實(shí)現(xiàn)符合系統(tǒng)規(guī)范的功能測(cè)試平臺(tái)。此外，ESL設(shè)計(jì)工具可綜合針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的定制處理器，以及快速開發(fā)和實(shí)現(xiàn)先進(jìn)算法。

　　及早進(jìn)行軟件開發(fā)：對(duì)于一個(gè)大型軟件開發(fā)任務(wù)，盡可能早地開始軟件開發(fā)很有必要，即使原有軟件的復(fù)用程度很高。

　　采用基于SystemC語言的ESL設(shè)計(jì)方法學(xué)，SoC架構(gòu)工程師可生成一個(gè)用來仿真SoC行為，如果需要，還可仿真SoC周期精確時(shí)序的高級(jí)模型。這個(gè)模型稱為事務(wù)級(jí)模型(TLM)，它使軟件設(shè)計(jì)工程師在RTL設(shè)計(jì)或者硅原型完成前的好幾個(gè)月就可著手進(jìn)行軟件開發(fā)工作。

　　1．快速設(shè)計(jì)和派生設(shè)計(jì)

　　不斷變化的消費(fèi)市場(chǎng)要求不斷推出“新的和改進(jìn)的”產(chǎn)品。一些改進(jìn)可以通過重新對(duì)SoC進(jìn)行編程來獲得，但更多的軟件可能需要更多的硬件資源，因此設(shè)計(jì)工程師必須采用可實(shí)現(xiàn)快速硬件設(shè)計(jì)和派生設(shè)計(jì)的方法。

　　RTL平臺(tái)曾被設(shè)計(jì)用來減少派生設(shè)計(jì)問題，它通過為未來設(shè)計(jì)提供一個(gè)經(jīng)過預(yù)驗(yàn)證的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。然而，為滿足新的市場(chǎng)需求而優(yōu)化RTL架構(gòu)以及集成RTL IP所帶來的困難，會(huì)顯著減緩設(shè)計(jì)過程。一個(gè)未經(jīng)優(yōu)化的架構(gòu)可能對(duì)性能和功耗產(chǎn)生負(fù)面影響。最終，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能被迫放棄功能性以達(dá)到性能和功耗目標(biāo)。

　　TLM應(yīng)用于函數(shù)調(diào)用和數(shù)據(jù)包傳輸層。這是一個(gè)抽象層，“設(shè)計(jì)意圖”在該層被捕獲，而且該層給設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)直接而清晰的系統(tǒng)行為視圖。硅IP的SystemC TLM模型很容易集成到SoC架構(gòu)的TLM中，這使SoC架構(gòu)師能快速研究并分析多個(gè)備選硬件架構(gòu)和硬件/軟件分割方案(每個(gè)方案具有不同的性能和經(jīng)濟(jì)上的折衷)以確定最佳架構(gòu)。這種方法明顯加快了初始設(shè)計(jì)，但它最大的好處是在快速轉(zhuǎn)變的派生設(shè)計(jì)中采用最初的SoC TLM作為易于更改的平臺(tái)。TI便是采用這種方法開發(fā)OMAP系列處理器和調(diào)制解調(diào)器。

　　2．快速驗(yàn)證

　　TLM的抽象級(jí)別明顯高于RTL的抽象級(jí)別，它描述模塊內(nèi)的電路狀態(tài)、精確到納秒的轉(zhuǎn)換以及精確到位的總線行為。因此，意法微電子等領(lǐng)先公司認(rèn)為，相比使用RTL，使用周期精確的TLM將使硬件驗(yàn)證和硬件/軟件協(xié)同驗(yàn)證速度快1,000倍或者更多。這種方法不僅可產(chǎn)生用于驗(yàn)證系統(tǒng)行為和RTL實(shí)現(xiàn)的功能測(cè)試基準(zhǔn)(testbench)，它還支持SystemC與RTL的協(xié)同仿真，這樣SoC TLM可被當(dāng)作一個(gè)“測(cè)試臺(tái)”，當(dāng)下游RTL實(shí)現(xiàn)模塊可用時(shí)，它們便可在這個(gè)測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。

　　高通公司的經(jīng)驗(yàn)表明，系統(tǒng)級(jí)的HW/SW協(xié)同驗(yàn)證要優(yōu)于C/RTL實(shí)現(xiàn)級(jí)的HW/SW協(xié)同驗(yàn)證。一個(gè)維特比解碼器設(shè)計(jì)可在20ms內(nèi)執(zhí)行一個(gè)信息包，但是在C/RTL級(jí)進(jìn)行仿真卻需要6個(gè)小時(shí)，高通估計(jì)必須仿真1,000個(gè)信息包才能達(dá)到合理的置信度，因此總共需要6,000小時(shí)的仿真時(shí)間，但這是不現(xiàn)實(shí)的。而1,000個(gè)信息包與一個(gè)TLM進(jìn)行協(xié)同驗(yàn)證將只需要6個(gè)小時(shí)，或者更少。

　　針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的處理器的綜合：不斷增強(qiáng)的處理能力需求經(jīng)常通過采用額外標(biāo)準(zhǔn)通用(GP)處理器內(nèi)核來滿足。然而，構(gòu)建GP內(nèi)核是用來解決廣范圍內(nèi)的應(yīng)用，它可能無法以必備的性能執(zhí)行一個(gè)給定軟件算法，且可能占用過多芯片面積和功率。另外，它通常還需支付大量的額外IP許可費(fèi)和版權(quán)費(fèi)。

　　采用指令集(IS)針對(duì)應(yīng)用需求優(yōu)化過的處理器可解決這個(gè)問題。定制IS處理器可在只有絕對(duì)必要的硬件資源條件下提供必備的性能。利用ESL工具，這樣的處理器可以從結(jié)構(gòu)描述或者定制IS本身開始自動(dòng)綜合。ESL工具還自動(dòng)生成處理器的軟件開發(fā)工具，例如指令集仿真器、匯編器、鏈接器、反匯編器、調(diào)試器和C編譯器。

　　以英飛凌為例，該公司據(jù)稱在兩個(gè)月內(nèi)就為特定應(yīng)用的多速率DSP開發(fā)出網(wǎng)表和開發(fā)工具。

　　3．先進(jìn)算法開發(fā)

　　在消費(fèi)設(shè)備中使用的諸如JPEG和MPEG等很多先進(jìn)算法都是數(shù)字信號(hào)處理算法，必須實(shí)現(xiàn)這些算法以達(dá)到對(duì)不同設(shè)備來說可能不同的性能和功耗目標(biāo)。先進(jìn)算法通常首先設(shè)計(jì)成浮點(diǎn)算術(shù)形式的參考算法(實(shí)際上，像JPEG和MPEG這樣的標(biāo)準(zhǔn)算法一般都以這種形式實(shí)現(xiàn))，然后再轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)算術(shù)形式，嵌入式軟件和RTL實(shí)現(xiàn)便是從定點(diǎn)算術(shù)形式衍生出來的。

　　針對(duì)DSP算法的圖形化ESL設(shè)計(jì)以及仿真工具能實(shí)現(xiàn)這種流程。對(duì)于通信和多媒體應(yīng)用，采用可定制DSP算法的預(yù)設(shè)計(jì)庫能加速算法開發(fā)。另外還存在一些標(biāo)準(zhǔn)算法庫，例如3G W-CDMA、GSM/EDGE、IS-95 CDMA、IEEE 802.11/a/b/g 無線局域網(wǎng)(WLAN)、藍(lán)牙和UWB。當(dāng)HW/SW分割后，采用微架構(gòu)庫可加速RTL實(shí)現(xiàn)的開發(fā)。大唐使用這樣的工具與其他公司合作開發(fā)了TD-SCDMA的基帶庫。

　　TLM方法論

　　TLM是可實(shí)現(xiàn)及早開始軟件開發(fā)、ESL設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證任務(wù)的虛擬集成平臺(tái)，圖2顯示了TLM在SoC設(shè)計(jì)中所處的中心位置。

圖2：ESL設(shè)計(jì)與驗(yàn)證任務(wù)。

　　SoC TLM本質(zhì)上是器件資源的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型，它全無實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。功能模塊的行為模型是根據(jù)它們的輸入激勵(lì)和輸出響應(yīng)來建立的。模塊通過由API連接至每個(gè)模塊的一個(gè)或者一組總線進(jìn)行通信，這些通信過程則被建模成具有相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流機(jī)制。這樣避免了不必要的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)會(huì)模糊設(shè)計(jì)工程師的系統(tǒng)行為視圖并減慢仿真速度。模塊行為與通信分開，可實(shí)現(xiàn)功能模塊的快速修改或者替換而無需重新設(shè)計(jì)總線，反之亦然，它對(duì)快速的IP集成以及復(fù)雜的“what if”分析也非常關(guān)鍵。

　　有三種常見的TLM使用模式：程序員視圖(PV)、架構(gòu)師視圖(AV)以及驗(yàn)證視圖(VV)。盡管這些模式代表三種不同的系統(tǒng)視圖，但是大多數(shù)模型都能以所有三種模式進(jìn)行配置。

　　1．程序員視圖

　　程序員視圖TLM是SoC的一種功能正確模型，它允許使用傳統(tǒng)軟件以及及早開發(fā)新軟件。一般情況下，PV TLM由處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)的功能模型以及將事務(wù)引導(dǎo)到正確存儲(chǔ)器或外設(shè)的路由器功能模型組成(見圖3)。

圖3：程序員視圖TLM。

　　PV使軟件開發(fā)人員能夠訪問必需的系統(tǒng)資源和屬性，比如寄存器的可見性、寄存器的精確性和中斷處理等，同時(shí)它還可直接鏈接目標(biāo)處理器和調(diào)試環(huán)境的指令集仿真器(ISS)。目標(biāo)RTOS的API以及目標(biāo)處理器的編譯器用來開發(fā)軟件對(duì)象代碼，此階段的應(yīng)用軟件開發(fā)只需一個(gè)數(shù)據(jù)流模式(schema)。因此，PV是不定時(shí)的，PV仿真可在每秒數(shù)百萬條指令的速度范圍內(nèi)很好地執(zhí)行。

　　2．架構(gòu)師視圖

　　架構(gòu)師視圖TLM是具有SoC時(shí)序?qū)傩缘南嗤Ｐ?。該模型使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠分析SoC性能以便在設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn)之前準(zhǔn)確找出瓶頸(見圖4)。最終的硬件/軟件分割決定是在這個(gè)視圖中實(shí)現(xiàn)的。

圖4：架構(gòu)師視圖TLM。

　　時(shí)序的捕獲不是顯式就是隱式。顯式時(shí)序可以近似地模仿SoC的硬件性能，它用系統(tǒng)事件和事件同步的函數(shù)表示，而模塊內(nèi)部時(shí)序則可能非常精確。

　　隱式定時(shí)模型使用嵌入到TLM API調(diào)用中的時(shí)序注釋，因此時(shí)序注釋獨(dú)立于功能性。這允許對(duì)各種功能模塊的候選架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行快速修改和性能描述，它還可提高仿真速度，使隱式定時(shí)模型的仿真速度超過顯式定時(shí)模型。

　　指令精確的ISS可通過PV-AV事務(wù)器連接到一個(gè)架構(gòu)視圖上，允許在執(zhí)行軟件的同時(shí)分析系統(tǒng)性能。PV-AV事務(wù)器還能評(píng)估在操作系統(tǒng)(OS)中執(zhí)行應(yīng)用的架構(gòu)。OS以PV模式引導(dǎo)，應(yīng)用則以AV模式執(zhí)行。

　　3．驗(yàn)證視圖TLM

　　驗(yàn)證視圖本質(zhì)上就是AV模型，它在周期精確的時(shí)序方面得到增強(qiáng)。這種模型能夠?qū)崿F(xiàn)可精確預(yù)測(cè)真實(shí)芯片時(shí)序的硬件驗(yàn)證和硬件/軟件驗(yàn)證，它還使開發(fā)團(tuán)隊(duì)能創(chuàng)建用于RTL驗(yàn)證的測(cè)試基準(zhǔn)。用Verilog和/或者VHDL編寫的RTL模型一旦完成，便可在VV TLM模型中例示，這樣在完整的SoC實(shí)現(xiàn)模型完成之前就能進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證以及調(diào)試。

　　VV仿真的執(zhí)行速度一般比RTL仿真和C/RTL HW/SW協(xié)同驗(yàn)證速度快三個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　這三個(gè)TLM視圖組成了全部ESL設(shè)計(jì)流程(如圖5所示)，不同模型可以利用易于設(shè)計(jì)的處理器和轉(zhuǎn)換器協(xié)同執(zhí)行。

圖5：帶有三種主要TLM使用模式的HW/SW開發(fā)流程。

　　ESL設(shè)計(jì)成功案例

　　領(lǐng)先的系統(tǒng)和半導(dǎo)體公司已經(jīng)公開宣稱ESL設(shè)計(jì)的結(jié)果超出預(yù)期，他們已轉(zhuǎn)向采用在準(zhǔn)硅片多處理器系統(tǒng)仿真模型上開發(fā)軟件的標(biāo)準(zhǔn)操作過程，該模型能以近似實(shí)時(shí)性能執(zhí)行。在某些情況下，仿真模型僅在兩秒內(nèi)就可引導(dǎo)普通的RTOS，例如嵌入式Linux。TLM方法具有良好的精確性，在將硅原型交付制造之前，這種精確性對(duì)于優(yōu)化芯片架構(gòu)的性能和功耗來說很關(guān)鍵。

例如，某大型日本打印機(jī)公司采用ESL設(shè)計(jì)方法，因?yàn)榛赗TL的方法已不能應(yīng)對(duì)每一代打印機(jī)所需的架構(gòu)上的重大修改。該公司對(duì)其從低端家庭打印機(jī)到高端網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)的所有產(chǎn)品都采用相同的基本算法。然而，不同打印機(jī)類型在數(shù)據(jù)通信、處理、存儲(chǔ)需求上的重大差異要求那些算法有明顯不同的實(shí)現(xiàn)，包括不同的存儲(chǔ)器架構(gòu)和通信總線架構(gòu)。

　　優(yōu)化這些不同架構(gòu)只能在ESL設(shè)計(jì)提供的TLM抽象級(jí)別上才能得到有效實(shí)現(xiàn)。不過，簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)向ESL設(shè)計(jì)而缺少到RTL實(shí)現(xiàn)的鏈接將導(dǎo)致下游問題。該公司用管腳精確的事務(wù)器建立了這種允許SystemC TLM與RTL協(xié)同驗(yàn)證的鏈接。

　　從RTL轉(zhuǎn)到ESL設(shè)計(jì)是一條很好的轉(zhuǎn)移路徑。ESL是一種“由中間開始(middle-out)”的設(shè)計(jì)流程，允許重復(fù)利用原有的RTL IP。在那些沒有傳統(tǒng)約束的情況下，可以采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)流程。東芝公司便是采用這種流程，利用設(shè)計(jì)套件開發(fā)用戶可配置媒體嵌入式處理器(MeP)。這個(gè)設(shè)計(jì)套件的基礎(chǔ)是使設(shè)計(jì)工程師能針對(duì)特定應(yīng)用定制配置的ESL設(shè)計(jì)環(huán)境。設(shè)計(jì)工程師可研究不同配置以確定哪種配置最佳，他們不僅要驗(yàn)證架構(gòu)，而且還要驗(yàn)證每個(gè)硬件和軟件模塊是否滿足系統(tǒng)要求。

　　LSI邏輯公司在其ZSP數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)核設(shè)計(jì)中采用了類似方法。LSI對(duì)每種不同的內(nèi)核開發(fā)周期和事務(wù)精確的SystemC模型，這使設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)oC架構(gòu)中的內(nèi)核性能建模。這些模型還使設(shè)計(jì)工程師能對(duì)硬軟件交互進(jìn)行調(diào)試。此外，設(shè)計(jì)師還可分析處理器的吞吐量和時(shí)延以及存儲(chǔ)器性能。

　　本文小結(jié)

　　ESL設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法使設(shè)計(jì)工程師能夠?qū)Ｗ⒂谀切┙o產(chǎn)品及IP帶來差異化和價(jià)值的系統(tǒng)設(shè)計(jì)屬性，即功能性和性能。這些屬性是由先進(jìn)算法、復(fù)雜的多處理器和存儲(chǔ)器架構(gòu)、高級(jí)通信協(xié)議以及針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的處理器(它們都由嵌入式軟件驅(qū)動(dòng))決定的。RTL實(shí)現(xiàn)的精巧性與高效的實(shí)現(xiàn)有關(guān)，但其價(jià)值則存在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。IP的創(chuàng)新和擁有將成為中國(guó)電子產(chǎn)業(yè)的下一場(chǎng)革命，而ESL設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法學(xué)將成為這場(chǎng)革命的支撐力量。