如何利用嵌入式軟件設(shè)計(jì)SoC

美國(guó)Globalpress公司舉辦的2007電子高峰會(huì)議上，舉辦了一場(chǎng)SoC(系統(tǒng)芯片)的專題討論會(huì)：設(shè)計(jì)師如何利用嵌入式軟件作為SoC器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。會(huì)議上的專家各抒己見。
　　
完整方案比單個(gè)硬件重要

主持人: Gartner公司的高級(jí)分析師John Barber

軟件在嵌入式產(chǎn)品中的份量越來(lái)越重。自2000年來(lái)，價(jià)值觀念發(fā)生了巨大的變化，2000年以前，主張是器件，即讓我們的器件與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的性能、品質(zhì)進(jìn)行對(duì)比具有優(yōu)勢(shì)，這就是那時(shí)形成鮮明特色的關(guān)鍵。現(xiàn)今，制造商和客戶需要的是解決方案，而不僅僅是器件。我的價(jià)值主張，我的鮮明特色，必須是完整的解決方案，包括與硬件一塊推出的可以立即投入大批量制造的軟件棧。
　　
硬件與軟件將設(shè)法整合到單個(gè)流程

Mentor Graphics系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)總監(jiān)Bill Chown

我們過(guò)去所從事的是硬件設(shè)計(jì)，現(xiàn)在則還需要輔以軟件應(yīng)用方面的大量工作。但這兩者的“婚姻”卻并不幸福。在兩者之間，我們需要填補(bǔ)在基礎(chǔ)架構(gòu)方面的鴻溝，如今的硬件不是從頭設(shè)計(jì)的，需要進(jìn)行基礎(chǔ)架構(gòu)的復(fù)用。需要復(fù)用的包括處理單元、內(nèi)存、接口器件... ...許多基礎(chǔ)設(shè)計(jì)事先已經(jīng)被人們所了解、得到了分析和預(yù)先進(jìn)行了配置。我們需要把它插入到系統(tǒng)中，提供針對(duì)硬件的軟件能力，以及針對(duì)具體應(yīng)用的軟件能力。在用戶對(duì)硬件和應(yīng)用軟件的使用目標(biāo)的這兩個(gè)空間之間，我們必須確保能讓他們尋求到與他們的具體需求相應(yīng)的問(wèn)題所在，但是最大限度減小他們花在兩個(gè)空間之間的工作量。

EDA代表電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，但我們有時(shí)候會(huì)迷失，而忘卻了“自動(dòng)化”一詞正是我們?cè)谶@個(gè)空間中應(yīng)該完成的工作。我們應(yīng)該回顧在這個(gè)流程中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的對(duì)象是什么？那并不僅僅意味著工具的改進(jìn)，而且意味著我們能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)簡(jiǎn)化問(wèn)題。

總結(jié)一下，我們能讓人們?nèi)プ龅氖虑?，是從一個(gè)在系統(tǒng)空間中的概念設(shè)計(jì)，一直到完成整個(gè)流程。概念設(shè)計(jì)上的革新是關(guān)鍵，我們需要靈活多樣；隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)行，我們需要嘗試不同的解決方案。如果我不知道我在做什么，就無(wú)法去嘗試替代方案。所以良好的分析將告訴我，我所做的工作將會(huì)把我?guī)蚝畏健＿@些不同的任務(wù)中的每一項(xiàng)，都對(duì)應(yīng)著每一個(gè)團(tuán)隊(duì)所從事的領(lǐng)域。因此，這是一個(gè)復(fù)雜的世界，但我們將設(shè)法將其整合到一起。在實(shí)現(xiàn)整合的過(guò)程中，我們應(yīng)該能加速、改動(dòng)，并將來(lái)自于不同領(lǐng)域的軟件與硬件、系統(tǒng)與驗(yàn)證集成到單個(gè)流程中。
　　
軟件的關(guān)鍵作用是保證批量

MIPS Technologies公司市場(chǎng)行銷副總裁Jack Browne

在SoC設(shè)計(jì)時(shí)，我們所面臨的挑戰(zhàn)是多方面的。首先我們希望能向市場(chǎng)上推出種類多樣的產(chǎn)品。以MIPS公司為例，有3種不同的微架構(gòu)系列，10種不同的處理器內(nèi)核。我們必須具有某種能讓我們能投入制造的業(yè)務(wù)模式，因?yàn)楸竟镜臉I(yè)務(wù)模式是基于IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))使用費(fèi)的，我們的年收入的一半來(lái)自于授權(quán)和版權(quán)使用費(fèi)?？蛻舻漠a(chǎn)品要達(dá)到制造批量，交貨則需要3～4年；他們拿到所設(shè)計(jì)出的芯片，要2年，然后他們?cè)僮孫EM來(lái)設(shè)計(jì)出系統(tǒng)，而這又要花上2年。所以，該供應(yīng)鏈有一個(gè)問(wèn)題：如果我的收入嚴(yán)格取決于制造批量，你應(yīng)該如何來(lái)支付這些開發(fā)的費(fèi)用？費(fèi)用的支付要延后4年，財(cái)經(jīng)界是不能容忍戰(zhàn)略性項(xiàng)目上的虧損的，你必須展示出業(yè)務(wù)的良好性。

另外一個(gè)挑戰(zhàn)是，你希望進(jìn)入不同的、類型各異的市場(chǎng)。其中每個(gè)市場(chǎng)的成功的臨界數(shù)量(客戶數(shù)量)是不同的。同時(shí)你還必須支持不同的OS(操作系統(tǒng))。你必須有解決所有這些問(wèn)題的方案。我們的做法是，承認(rèn)人們有一個(gè)平臺(tái)。軟件，無(wú)論是Linux還是其他的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，一直到應(yīng)用層次。我們所追求的關(guān)鍵一點(diǎn)，是使用硬件抽象層。從根本上來(lái)說(shuō)，如果我有兩家不同的客戶，他們決定購(gòu)買不同的套裝，或者甚至不同的USB控制器，則通過(guò)硬件抽象層，如你的PC中的BIOS，我可以實(shí)現(xiàn)不同的偏好，而不用移植操作系統(tǒng)。

你去考察供應(yīng)鏈上的不同玩家的商業(yè)模式的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，將操作系統(tǒng)移植到另一個(gè)硬件平臺(tái)上的工作并不能提供多少余地。如果你所選擇的應(yīng)用不對(duì)路的化，則很難實(shí)現(xiàn)足夠的產(chǎn)量。如果你考察如今的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中有些采用了300萬(wàn)行的軟件。而你將看到2年后的HDTV將采用500萬(wàn)行的軟件，而且其中有16個(gè)處理器，用于處理不同的任務(wù)。

所以軟件的關(guān)鍵作用就是保證批量。如何找到一個(gè)合理的財(cái)經(jīng)運(yùn)作模式，是EDA、IP公司、半導(dǎo)體公司、軟件公司共同努力解決的挑戰(zhàn)。
　　
多處理器的軟件設(shè)計(jì)法

Tensilica公司市場(chǎng)行銷副總裁Steve Roddy

軟件的重要性到底有多高？有人認(rèn)為市場(chǎng)規(guī)模尚小，有些人認(rèn)為它很重要，另一些人則主張我們處在一個(gè)臨界階段，許多軟件都實(shí)現(xiàn)了移植。

3種觀點(diǎn)也許都是正確的，具體取決于其市場(chǎng)。但我想退一步思考一下處理器也許倒也無(wú)妨。一個(gè)有趣的問(wèn)題是，如今和未來(lái)的應(yīng)用應(yīng)該需要多少個(gè)處理器？這里借用ITRS(國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖)，來(lái)展示在每個(gè)工藝節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著的、每個(gè)SoC上平均使用的處理器的數(shù)量(圖2)。當(dāng)前，ITRS宣稱每個(gè)SoC上平均有32個(gè)可編程器件。我們知道，有些可能數(shù)量會(huì)多些，有些則少些。Tensilica與Cisco合作，推出了基于130nm節(jié)點(diǎn)的、采用192個(gè)處理器的設(shè)計(jì)。所以處理器的數(shù)量會(huì)出現(xiàn)迅速增長(zhǎng)。而軟件正是在此之上運(yùn)行的。

圖2 2005 IRTS MPSoC 發(fā)展圖可看出，多核設(shè)計(jì)時(shí)代來(lái)到了

是的，軟件的復(fù)雜程度和架構(gòu)的復(fù)雜程度都正在增加。即便處理器的數(shù)量在增長(zhǎng)，它們并不全都一模一樣。這些器件上將出現(xiàn)多樣化的處理器。

關(guān)于嵌入式的設(shè)計(jì)，很明顯的一點(diǎn)是，軟件的形式必然迥異于普通的通用型軟件。事實(shí)上，嵌入式世界迥異于與通用型軟件世界。在通用型應(yīng)用的世界中，如Intel和AMD，在處理器上運(yùn)行的軟件在器件開始推出時(shí)尚不為人所知。因此一般采用通用型的計(jì)算，對(duì)于通用型的計(jì)算，人們采用通用的SMP Die Bucket 架構(gòu)。在嵌入式世界中，如果你設(shè)計(jì)用于路由器的芯片的話，它就是供路由器專用的。優(yōu)點(diǎn)就在于你知道器件的用途，所以其設(shè)計(jì)會(huì)針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，讓人們能利用專用的處理器，如可重構(gòu)的和可擴(kuò)展的處理器，以節(jié)省面積、成本和功耗。因此兩者的設(shè)計(jì)之道大相徑庭。擁有許多可重編程的處理器，并不意味著你有一個(gè)全新的世界。系統(tǒng)架構(gòu)和硬件架構(gòu)研發(fā)者努力解決這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)有幾十年了。他們將其稱為SoC，現(xiàn)在人們以處理器為單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不是硬件模塊，他們?cè)谙到y(tǒng)中引入了許多軟件的東西。但這并不意味著在設(shè)計(jì)這些東西的方式上會(huì)遇到什么危機(jī)。

設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)的風(fēng)格，仍然具有一個(gè)SoC只有一個(gè)處理器的年代的SoC設(shè)計(jì)、架構(gòu)所具備的那種多樣性。你可以讓處理器間具有一個(gè)看起來(lái)非常傳統(tǒng)的聯(lián)系，采用SMP通用型架構(gòu)，你可以讓處理器之間根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)建立互動(dòng)關(guān)系，你可以在處理器間建立硬件風(fēng)格的數(shù)據(jù)流。事實(shí)上，某些處理器甚至根本都不清楚芯片上有其他處理器的存在。這些東西的實(shí)現(xiàn)有多種多樣的途徑，成功的關(guān)鍵是功能劃分，人們可以在功能模塊中放入標(biāo)準(zhǔn)、API，事實(shí)上，在這些系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件，可以造成復(fù)雜性極大增長(zhǎng)，而我們?cè)趯?shí)現(xiàn)上仍然感受不到危機(jī)的存在，通過(guò)功能劃分，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的處理器、經(jīng)過(guò)優(yōu)化的API將通用型的程序與軟件的所有復(fù)雜性隔離開來(lái)。

圖3  隨著處理器復(fù)雜度上升軟件比例上升

設(shè)計(jì)者完全可以利用直截了當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方法來(lái)掌握如此復(fù)雜的，設(shè)計(jì)數(shù)百萬(wàn)行程序的軟件工作。
　　
軟件發(fā)揮至關(guān)重要的作用

Wipro公司半導(dǎo)體/消費(fèi)事業(yè)單位副總裁Siby Abraham

今天，推動(dòng)半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展的仍然是摩爾定律。對(duì)我來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)中如何放入更多的邏輯、在一定的芯片面積上能放入多少個(gè)晶體管這一問(wèn)題所帶來(lái)的痛苦和挑戰(zhàn)—這是技術(shù)經(jīng)理和工程師們關(guān)心的問(wèn)題，倒還比不上呈指數(shù)化增長(zhǎng)的IC設(shè)計(jì)成本。源程序的復(fù)雜性的日益增長(zhǎng)，而成本的上漲幅度超過(guò)了硬件的。

如今，邏輯電路的80%都被復(fù)用。這意味著SoC上只有20%的邏輯是用來(lái)體現(xiàn)其不同之處的。這也就是利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)SoC鮮明特色的地方。我們所看到的趨勢(shì)是，根據(jù)我們過(guò)去4年所從事的項(xiàng)目，我們?cè)谲浖桶雽?dǎo)體業(yè)摸爬滾打了多年，SoC的未來(lái)在于多核架構(gòu)方面的改進(jìn)，而這正是軟件發(fā)揮其效用的地方。

如今，我們的軟件還不能有效而自然地利用好多架構(gòu)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。挑戰(zhàn)在于，軟件工程師如何能利用眾多核架構(gòu)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。我們已經(jīng)看到了在SoC中對(duì)軟件的多方面的應(yīng)用。軟件的挑戰(zhàn)，可以認(rèn)為與硬件工程師們所面臨的挑戰(zhàn)是一樣的。

我們今天所看到的更重要的一點(diǎn)是，現(xiàn)在需要那些不僅僅把自己劃入硬件工程師或軟件工程師等類別的工程師們，他們了解更多的專業(yè)，從而能利用眾多領(lǐng)域的知識(shí)。我們看到一個(gè)大挑戰(zhàn)，有的客戶要求在產(chǎn)品供貨時(shí)就能提供軟件。

我們所看到的技術(shù)上的挑戰(zhàn)，價(jià)格、性能、功耗，而如今軟件團(tuán)隊(duì)也將承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。如果沒(méi)有可調(diào)試性，硬件團(tuán)隊(duì)將困難重重。

注1：關(guān)于此次討論的詳細(xì)報(bào)道及記者問(wèn)答，將刊登在10月出版的?？?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/嵌入式系統(tǒng)">嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》上；
注2：迎九根據(jù)此次會(huì)議的錄音整理