IP核在SoC設計中的接口技術

　　隨著半導體技術的發(fā)展,深亞微米工藝加工技術允許開發(fā)上百萬門級的單芯片，已能夠將系統(tǒng)級設計集成到單個芯片中即實現(xiàn)片上系統(tǒng)SoC。IP核的復用是SoC設計的關鍵，但困難在于缺乏IP核與系統(tǒng)的接口標準，因此，開發(fā)統(tǒng)一的IP核接口標準對提高IP核的復用意義重大。本文簡單介紹IP核概念，然后從接口標準的角度討論在SoC設計中提高IP核的復用度，從而簡化系統(tǒng)設計和驗證的方法，主要討論OCP(開放核協(xié)議)。

　　OCP簡介

　　基于IP核復用技術的SoC設計使芯片的設計從以硬件為中心轉向以軟件為中心，芯片設計不再是門級的設計，而是IP核和接口及其復用設計。IP核集成到系統(tǒng)所要考慮的問題包括：同步，例如全局執(zhí)行、數據交換和協(xié)議方面的同步操作；協(xié)議轉換，不同模塊間不兼容的協(xié)議的轉換，封裝可用來解決這個問題，但需要考慮時序約束；I/O緩存，為滿足系統(tǒng)行為和時序約束可能需要緩存數據。

　　另外，出于對核設計的保護會故意隱藏一些信息，而這些信息在集成時可能需要。為解決這些問題需要一個好的接口標準，一些大公司現(xiàn)在已有自己的IP核接口標準，比如Altera的Avalon，Atlantic 、IBM的CoreConnect、ARM的AMBA等。因為核的多樣性，使用完全相同的接口是不現(xiàn)實的，OCP將軟件中的分層概念應用到IP核接口，提供一種具有通用結構定義、可擴展的接口協(xié)議，方便了IP核與系統(tǒng)的集成。

　　OCP協(xié)議使IP核與系統(tǒng)的接口與IP核的功能無關，設計人員不需要了解核內部也能利用它進行系統(tǒng)設計。OCP接口允許設計者根據不同的目的配置接口，包括接口的數據寬度、交換的握手協(xié)議等，在SoC設計中可以裁剪核的功能，降低設計復雜性，減小面積，同時滿足SoC的要求；OCP接口還保持核在集成到系統(tǒng)的過程中自身完全不被改變，就是說在總線寬度、總線頻率或電氣負載有變化時核保持不變。使用OCP接口的設計可以交付即插即用的模塊，同時支持核的開發(fā)與系統(tǒng)設計并行，節(jié)省設計時間。

　　OCP接口運行機制

　　OCP定義兩個通信實體間點到點的接口。其中一個實體作為通信的主體(Master)，另一個作為從體(Slave)。只有Master可以發(fā)命令，Slave響應Master的命令，接收或發(fā)送數據。封裝接口模塊必須擔當每個連接實體的對應端，當連接實體是Master時，封裝接口模塊就作為對應的Slave；當連接實體是Slave時，封裝接口模塊作Master。

　　OCP的工作原理如圖1所示。圖中有三個IP核，其中左邊標有Initiator的IP核是通信的發(fā)起方，作Master；右邊標有Target的是通信的目標方，作Slave；中間的既可作Master又可作Slave；下面的框圖代表封裝接口模塊；從Master出來并進入Slave的箭頭表示請求命令，從Slave出來并進入Master的箭頭表示響應；加黑的線段代表片上互連總線。兩個IP核通過接口通信的過程是：作為Master的 IP核發(fā)出請求命令給對應的Slave端(總線封裝接口模塊)；封裝接口模塊通過片上總線將請求命令(OCP并不指定片上互連總線的工作機制，而是把OCP命令轉換成總線上的傳送)傳送給接收方的總線封裝模塊；接收方的總線封裝模塊再作為Master把這種內部總線傳輸轉換成合法的OCP命令傳送給目標IP核；其作為Slave方接收命令并執(zhí)行所要求的操作。

圖1 OCP工作原理示意圖

　　每一個OCP接口都是可根據連接實體的要求進行配置的(通過選擇需要的信號或某一信號的位寬)，也是互相獨立的，例如系統(tǒng)中通信發(fā)起者總是會需要比目標方更多的地址位數用來選擇發(fā)起者所要求的目標。

　　OCP接口信號

　　OCP通過命令完成實體間的通信操作，在接口為選擇的命令配置相應信號，所有的信號都是在時鐘上升沿采樣，是完全的同步設計。OCP接口信號包括數據信號、邊帶信號和測試信號。數據信號又分為基本信號、簡單擴展信號、猝發(fā)信號和多線程擴展信號。所有IP核都需要基本數據信號中的一組信號，其他可選信號用于支持通信需要，實現(xiàn)可配置和可擴展性。

　　基本數據信號包括：Clk、MAddr、MCmd、MData、MDataValid、MRespAccept、SCmdAccept、SData、SDataAccept、SResp。其中只有CLK和MCmd是必須的，其他可選。Mcmd是傳輸命令，指出主方OCP傳輸類型，包括讀、寫和廣播類型的八種命令。簡單擴展信號增加了OCP接口地址空間、字節(jié)使能和核在不同階段的特征信息。猝發(fā)式擴展信號允許猝發(fā)傳輸，可設置不同猝發(fā)傳輸模式的參數。多線程擴展信號支持OCP接口的多線程處理。邊帶信號傳送諸如復位、中斷、錯誤和核特性標志等控制信息，也是IP核與系統(tǒng)間交換控制和狀態(tài)信息的手段，可以同請求／響應信號異步，但與時鐘上升沿同步。測試信號支持掃描、時鐘控制和JTAG。

OCP接口時序及接口狀態(tài)機

　　以簡單讀寫操作的時序為例說明OCP接口時序要求，如圖2所示。

圖2  讀/寫操作的時序

　　在上升沿1處OCP Master方通過將MCmd由Idle變?yōu)閃r開始進入請求狀態(tài)，在此周期內把地址A1和數據D1分別送到MAddr和MData信號線上，Slave必須在同一個周期內發(fā)出SCmdAccept有效信號；Slave在上升沿2處開始接收地址和數據并進行內部寫操作；在上升沿4處MCmd賦值為Rd，OCP進入讀請求狀態(tài)，在這個周期內Master方將地址放在MAddr信號線上，在同周期Slave發(fā)出SCmdAccept有效信號；在上升沿5處Slave方置SResp為DVA從而開始響應階段，請求階段結束，根據從MAddr獲得的地址讀取數據并放到SData信號線上；在上升沿6處開始Master方收到Slave的響應信號并開始讀數據，響應階段完成。

　　圖3是在讀、寫操作中請求階段和響應階段主、從兩方的狀態(tài)機。

圖3  讀/寫狀態(tài)機

　　M aster和Slave都是從IDLE狀態(tài)開始，當檢測到MCmd變?yōu)樽x或寫時Master轉為請求階段，Slave轉到讀或寫狀態(tài)。如果是讀操作，Master的請求狀態(tài)持續(xù)到SCmdAccept有效，Slave在完成讀操作后發(fā)出SCmdAccept有效信號并置SResp為DVA，Slave變?yōu)轫憫獱顟B(tài)，Master進入IDLE狀態(tài)；SResp是NULL時，Slave沒有進入響應狀態(tài)Master進入Wait Resp狀態(tài)，等待Slave進入響應狀態(tài)。如果是寫操作，沒有響應信號，當SCmdAccept有效時Master的請求階段結束進入IDLE狀態(tài),Slave處理寫操作，完成后進入IDLE狀態(tài)。

　　結語

　　OCP是基于核的免費開放的接口協(xié)議，可以根據不同IP核的通信要求進行配置和擴展，能夠實現(xiàn)硬件集成真正的即插即用，允許系統(tǒng)集成根據應用需要選擇最好的IP核和互聯(lián)機制。OCP為IP核設計提供了解決可配置性和接口的較好辦法，實現(xiàn)了IP核與系統(tǒng)集成的SoCket接口，能夠做到核的模塊化和即插即用特性。

　　參考文獻

　　1 The Importance of SoCkets in SOC Design. http://www.ocpip.org

　　2 Steven J.E. Wilton and Resve Saleh .Programmable Logic IP Core s in SoC Design : Opportunities and Challenges. Proceedings of the Custom Integrated Circuits Conference, 2001, p 63-66