基于DSP的SoC芯片的FPGA驗(yàn)證方法

引 言

DSP 技術(shù)廣泛地應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域, 它或者以獨(dú)立的器件形式在系統(tǒng)中出現(xiàn), 或者以IP 核的形式嵌入SoC系統(tǒng)中。而隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展以及EDA 設(shè)計(jì)水平的迅速提高, 基于IP( Intellectual Property) 進(jìn)行SoC(System on Chip)芯片設(shè)計(jì)的能力和技術(shù)得到了大大的提高。在一些應(yīng)用方面，需要處理的數(shù)據(jù)量不斷增大以及數(shù)據(jù)處理時(shí)間縮短，數(shù)據(jù)運(yùn)算更加復(fù)雜，內(nèi)嵌DSP核處理器的SoC技術(shù)能夠提高處理時(shí)間精確性并能進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的處理，提高可靠性, 縮小體積，降低功耗。因此本論文設(shè)計(jì)研究一種基于DSP的SoC芯片的FPGA驗(yàn)證方法，并將整個(gè)系統(tǒng)包括DSP處理器、片上總線、ASIC、內(nèi)存模塊和I/O 外圍設(shè)備及其他IP模塊集成到一個(gè)芯片中。 而在復(fù)雜的內(nèi)嵌DSP核的SoC 芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 為了保證SoC芯片設(shè)計(jì)的正確性, 驗(yàn)證工作變得越來越重要, 也更加復(fù)雜。FPGA驗(yàn)證是復(fù)雜芯片和SoC芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證的一種有效手段，可以彌補(bǔ)軟件模擬仿真的不足，減少驗(yàn)證時(shí)間，檢驗(yàn)SoC的設(shè)計(jì)是否實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)規(guī)范確定的功能，從而提高SoC芯片流片成功率。

1 基于DSP核控制的SoC系統(tǒng)

本論文設(shè)計(jì)的SoC系統(tǒng)采用國內(nèi)自主研發(fā)DSP核 ，而基于DSP設(shè)計(jì)的SoC系統(tǒng)主要包括： DSP 處理器核、片上AXI總線、PWM、事件捕獲器、看門狗控制、中斷控制器、復(fù)位管理、存儲(chǔ)模塊、I/O及其他外設(shè)UART、CAN、SPI等模塊。這些模塊與DSP核之間通過AXI總線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。AMBA AXI的總線協(xié)議具有高性能、支持高頻傳輸、高速亞微型系統(tǒng)互連的特征。AXI協(xié)議是主從結(jié)構(gòu)的，一切觸發(fā)都由主設(shè)備發(fā)起。核間通信總線采用實(shí)際SoC系統(tǒng)中應(yīng)用最多的AXI總線結(jié)構(gòu)，比較靈活，可滿足對(duì)帶寬需求高低不同的各種IP。

基于DSP的SOC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于DSP的SOC系統(tǒng)架構(gòu)

2 SoC系統(tǒng)的FPGA驗(yàn)證平臺(tái)

FPGA驗(yàn)證平臺(tái)用于SoC芯片驗(yàn)證，對(duì)于大規(guī)模SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行快速準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)驗(yàn)證，根據(jù)不同SoC規(guī)模容量，采用不同的FPGA硬件資源，硬件平臺(tái)建設(shè)有所不同。由于FPGA具有靜態(tài)可編程和在線動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性，能夠使硬件的功能電路同軟件程序一樣方便修改，使得FPGA驗(yàn)證修改十分便利易操作，實(shí)時(shí)性較好;還可以縮短開發(fā)周期，節(jié)約時(shí)間，降低開發(fā)成本;FPGA具有的這些特點(diǎn)使得FPGA成為通用的SoC功能驗(yàn)證的器件，為SoC的系統(tǒng)原型驗(yàn)證提供了一個(gè)非常合適的平臺(tái)。FPGA器件在SoC驗(yàn)證設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛。目前FPGA已經(jīng)從系統(tǒng)集成、系統(tǒng)存儲(chǔ)、系統(tǒng)時(shí)鐘和系統(tǒng)接口四個(gè)方面滿足了SoC芯片驗(yàn)證的要求，為SoC芯片的快速系統(tǒng)原型驗(yàn)證提供了一個(gè)非常合適的平臺(tái)。此基于DSP的SoC系統(tǒng)的FPGA驗(yàn)證平臺(tái)采用Xilinx Virtex-6 LX760器件，是建立在Xilinx Virtex6 FPGA板上的軟硬件聯(lián)合驗(yàn)證系統(tǒng)，并用ISE13.3進(jìn)行綜合和布局布線。另外此FPGA硬件驗(yàn)證平臺(tái)包括支持DSP程序下載的JTAG通路及接口。

2.1 FPGA 硬件平臺(tái)建設(shè)

關(guān)于硬件平臺(tái)搭建主要使用了兩顆Xilinx Virtex-6 LX760 FPGA器件，雙FPGA Virtex-6核具有15.2M 邏輯門的邏輯資源。Virtex-6 LX760是面向于高端應(yīng)用，具有更多的時(shí)鐘和存儲(chǔ)資源，而且能夠支持運(yùn)行更快的速度。通過分析所選擇FPAG具備資源滿足此SoC驗(yàn)證使用，為了實(shí)現(xiàn)通用性，該FPGA硬件驗(yàn)證平臺(tái)采用了子板和母板相結(jié)合的方式。在母板上設(shè)置有通用的FPGA芯片，相應(yīng)的PROM，系統(tǒng)全局時(shí)鐘的選擇和配置模塊，系統(tǒng)復(fù)位邏輯，F(xiàn)PGA芯片下載通路，與子板連接的connector接口等模塊。子板根據(jù)基于DSP的SoC系統(tǒng)驗(yàn)證需求，該FPGA硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的子卡配置了JTAG調(diào)試子板，以提供DSP仿真器連接的調(diào)試接口通路。另外還設(shè)計(jì)配置了驗(yàn)證EMIF訪問外部存儲(chǔ)設(shè)備通路的SRAM存儲(chǔ)器子板。為了方便測(cè)試和驗(yàn)證EMIF接口功能，在這兩類測(cè)試子板上，都設(shè)有關(guān)鍵信號(hào)的測(cè)試探測(cè)點(diǎn)，以方便測(cè)試一些基礎(chǔ)的時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)及其他探測(cè)信號(hào)。

2.2 FPGA 軟件環(huán)境建設(shè)

在SoC 設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)使用一些硬IP 核，如PLL、SRAM、ADC、USB transceiver 等，而在采用FPGA驗(yàn)證技術(shù)驗(yàn)證ASIC及SoC設(shè)計(jì)過程中，需要做ASIC的設(shè)計(jì)原碼的轉(zhuǎn)換。所以首先需要對(duì)SoC進(jìn)行修改，以適合FPGA的開發(fā)環(huán)境。如門控的處理，添加PLL對(duì)所需要的時(shí)鐘進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆?倍頻，存儲(chǔ)單元RAM、FIFO的替換，修改子模塊配置，特殊單元的處理等。還要根據(jù)特定的硬件平臺(tái)增加FPGA 相關(guān)的時(shí)序Timing的約束和IO引腳的指定約束，并搭建一個(gè)能夠自動(dòng)仿真和驗(yàn)證的環(huán)境。在此FPGA驗(yàn)證過程中主要使用ISE13.3內(nèi)置綜合工具或?qū)Ｓ镁C合工具對(duì)RTL進(jìn)行編譯、綜合，生成網(wǎng)表。生成的網(wǎng)表以生成bit文件，包括優(yōu)化、適配、bit文件生成等。進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析，檢查是否滿足預(yù)定的時(shí)鐘頻率要求，若不能滿足，則重新進(jìn)行綜合編譯優(yōu)化如果多次進(jìn)行仍不能滿足時(shí)序要求，則根據(jù)違反時(shí)序信息查找關(guān)鍵路徑對(duì)RTL設(shè)計(jì)代碼進(jìn)行修改優(yōu)化。

基于DSP控制的SoC系統(tǒng)的FPGA驗(yàn)證軟件除了需要上述提到的綜合布局布線的軟件環(huán)境ISE13.3外，還需要FPGA內(nèi)部信號(hào)在線調(diào)試工具Chipscope，即時(shí)抓取一些內(nèi)部邏輯信號(hào)分析內(nèi)部邏輯正確與否。在驗(yàn)證調(diào)試階段，還需要DSP核下載調(diào)試軟件CCS3.3以編寫控制處理器核DSP執(zhí)行運(yùn)行的軟件測(cè)試程序。

2.3 軟硬件協(xié)同驗(yàn)證系統(tǒng)

FPGA驗(yàn)證SoC系統(tǒng)方法是軟硬件協(xié)同仿真和驗(yàn)證，并搭建軟硬件協(xié)同驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)。基于FPGA的SoC驗(yàn)證系統(tǒng)，即硬件平臺(tái)和軟件環(huán)境結(jié)合的驗(yàn)證系統(tǒng)，已經(jīng)成為SoC設(shè)計(jì)驗(yàn)證流程中的重要方法和技術(shù)手段。實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)條件常常是需要上述提出的能夠滿足工作要求的FPGA硬件平臺(tái)，以及有力的設(shè)計(jì)描述及編譯工具等軟件環(huán)境。而基于DSP控制的SoC驗(yàn)證系統(tǒng)還需要DSP軟件程序開發(fā)環(huán)境及下載通路等。

2.3.1 FPGA軟硬件協(xié)同驗(yàn)證架構(gòu)

FPGA驗(yàn)證是使設(shè)計(jì)的SoC系統(tǒng)及IP模塊硬件化，通過實(shí)現(xiàn)在具體的FPGA驗(yàn)證平臺(tái)上運(yùn)行及驗(yàn)證，具體化設(shè)計(jì)研發(fā)的SoC系統(tǒng)及IP電路，彌補(bǔ)軟件仿真存在的差距。為了驗(yàn)證的完整性與可靠性，采用FPGA硬件平臺(tái)和軟件環(huán)境建設(shè)的軟硬件協(xié)調(diào)驗(yàn)證方法。

FPGA驗(yàn)證是為了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證SoC芯片在實(shí)際硬件環(huán)境下的功能和運(yùn)行工作情況。針對(duì)基于本文設(shè)計(jì)提出的基于DSP的SoC系統(tǒng)，搭建能夠?qū)崿F(xiàn)和驗(yàn)證其DSP程序指令及內(nèi)部電路工作的軟硬件驗(yàn)證系統(tǒng)平臺(tái)。建立的FPGA軟硬件協(xié)同驗(yàn)證系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖3所示。其中包括FPGA原型驗(yàn)證需要的XILINX V6芯片的FPGA驗(yàn)證母板、支持下載bit位文件及驗(yàn)證調(diào)試過程中需要的XILINX FPGA 編程器及下載線、能夠支持正確下載DSP激勵(lì)測(cè)試程序的DSP-JTAG調(diào)試子板、支持DSP芯片的仿真器、安裝有TI CCS軟件和 ISE13.3 軟件及支持DSP芯片驅(qū)動(dòng)的微機(jī)。

圖2 FPGA軟硬件協(xié)同驗(yàn)證系統(tǒng)的基本架構(gòu)

2.3.2 驗(yàn)證過程

軟硬件協(xié)同驗(yàn)證過程分以下幾個(gè)步驟(1)首先把要驗(yàn)證的SoC系統(tǒng)經(jīng)由ISE13.3自動(dòng)綜合及布局布線實(shí)現(xiàn)后生成相應(yīng)的FPGA位流文件經(jīng)JTAG下載線下載至構(gòu)建的FPGA驗(yàn)證系統(tǒng)中的FPGA芯片或?qū)?yīng)的PROM中。(2)通過微機(jī)CCS 界面編寫控制內(nèi)部DSP核運(yùn)行的程序，完成程序啟動(dòng)初始化、測(cè)試激勵(lì)程序編譯，及開發(fā)驗(yàn)證IP及系統(tǒng)需要的程序。(3)并通過DSP仿真器以實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行軟硬件協(xié)同驗(yàn)證過程中的管理控制，通過編寫及測(cè)試程序的加載、運(yùn)行、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP核進(jìn)行的單步操作、連續(xù)運(yùn)行等操作;通過設(shè)置正確中斷服務(wù)程序、設(shè)置斷點(diǎn)、觀測(cè)DSP核內(nèi)部寄存器及SoC配置寄存器值等分析DSP核運(yùn)行及操作IP情況(4)透過不同的控制程序驅(qū)動(dòng)運(yùn)行相應(yīng)功能IP模塊及整個(gè)系統(tǒng)工作運(yùn)行，驗(yàn)證IP功能及不同IP之間的交互和總線競(jìng)爭(zhēng)。在驗(yàn)證過程中可以根據(jù)IP功能及SoC系統(tǒng)特性使用示波器觀測(cè)引腳信號(hào)，使用ChipScope軟件抓取內(nèi)部信號(hào)來判斷邏輯關(guān)系及系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性。驗(yàn)證DSP核、SoC系統(tǒng)及相應(yīng)IP功能;驗(yàn)證系統(tǒng)各模塊間的相互操作、片上系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)相互流通功能;驗(yàn)證所有IP集合協(xié)同運(yùn)行情況;驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)。具體驗(yàn)證流程圖可參見圖3

圖3 基于DSP的SoC系統(tǒng)的FPGA驗(yàn)證流程圖

3 SoC系統(tǒng)及IP模塊功能驗(yàn)證

對(duì)SoC系統(tǒng)及內(nèi)部IP功能模塊進(jìn)行驗(yàn)證，需要首先驗(yàn)證FPGA軟件平臺(tái)及硬件平臺(tái)正確性，才能在CCS環(huán)境下編寫控制DSP處理器的程序以驗(yàn)證SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各個(gè)功能模塊的正確性。通過CCS編程器與FPGA硬件平臺(tái)連接正確后，可通過下載編寫控制DSP內(nèi)核的程序，驗(yàn)證DSP運(yùn)行正確性，并通過編寫控制其他IP邏輯模塊驗(yàn)證SoC系統(tǒng)內(nèi)部交互及IP邏輯設(shè)計(jì)。其中主要進(jìn)行了下面幾種功能模塊劃分及其驗(yàn)證，通過驗(yàn)證功能模塊也進(jìn)一步驗(yàn)證SoC系統(tǒng)及片上總線等設(shè)計(jì)的正確性。