復(fù)雜的多核心ARM集成設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)和提出的解決方案
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復(fù)雜的多核心ARM集成設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)和提出的解決方案
最近，英國Ascot的Agere系統(tǒng)公司 ASIC設(shè)計(jì)中心從一個(gè)重要客戶處收到一份富有挑戰(zhàn)性的簡報(bào)：將8個(gè) ARM966E-S r1p0 處理器子系統(tǒng)集成到單芯片上。
盡管這項(xiàng)任務(wù)很復(fù)雜，但是僅花了11個(gè)月就完成了4M-gate 5Mbit 的設(shè)計(jì)。目前，芯片已投入生產(chǎn)，并作為首次推出的基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，于2002年在歐洲首次使用。整個(gè)芯片是第三方和Agere設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的合作成果，Agere負(fù)責(zé)提供ARM子系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和芯片集成知識，而第三方提供特定用途知識產(chǎn)權(quán)。
本文不僅概括了小組在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中遇到的挑戰(zhàn)，還提供了對所采用的解決方案的深刻見解。使用的技術(shù)有Agere的0.16um 6LM (金屬層) 1.5V/3.3V處理，且連線到456 PBGAM數(shù)據(jù)包，以及Agere的內(nèi)部EDA工具集、用于合成的Synopsys的設(shè)計(jì)編譯器、用于靜態(tài)時(shí)序分析的Primetime、用于測試插入和矢量生成的DC-XP/Tetramax和用于功耗分析的Primepower。小組使用了Avanti Apollo/Saturn 的布局規(guī)劃和時(shí)鐘樹綜合(CTS)技術(shù)、Mentor Graphics的Modelsim RTL 仿真技術(shù)和Cadence的NCVerilog 功能門仿真技術(shù)。 Celerity是用于Spice仿真的解決方案，而AssuraSI是用于信號集成分析的解決方案。
盡管這項(xiàng)任務(wù)很復(fù)雜，但是僅花了11個(gè)月就完成了4M-gate 5Mbit 的設(shè)計(jì)。目前，芯片已投入生產(chǎn)，并作為首次推出的基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，于2002年在歐洲首次使用。整個(gè)芯片是第三方和Agere設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的合作成果，Agere負(fù)責(zé)提供ARM子系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和芯片集成知識，而第三方提供特定用途知識產(chǎn)權(quán)。
本文不僅概括了小組在開發(fā)設(shè)計(jì)過程中遇到的挑戰(zhàn)，還提供了對所采用的解決方案的深刻見解。使用的技術(shù)有Agere的0.16um 6LM (金屬層) 1.5V/3.3V處理，且連線到456 PBGAM數(shù)據(jù)包，以及Agere的內(nèi)部EDA工具集、用于合成的Synopsys的設(shè)計(jì)編譯器、用于靜態(tài)時(shí)序分析的Primetime、用于測試插入和矢量生成的DC-XP/Tetramax和用于功耗分析的Primepower。小組使用了Avanti Apollo/Saturn 的布局規(guī)劃和時(shí)鐘樹綜合(CTS)技術(shù)、Mentor Graphics的Modelsim RTL 仿真技術(shù)和Cadence的NCVerilog 功能門仿真技術(shù)。 Celerity是用于Spice仿真的解決方案，而AssuraSI是用于信號集成分析的解決方案。
ARM966E-S子系統(tǒng)
本設(shè)計(jì)是分等級的，它將ARM966E-S子系統(tǒng)排在最低級別。子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。
每個(gè)ARM966E-S子系統(tǒng)在每段設(shè)計(jì)里可使用2次，并同時(shí)添加第三方IP。而該段在設(shè)計(jì)中被復(fù)制4次。在層次的上一級也包括了第三方IP，最后，包括Agere所有的IO和測試結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在圖2中有說明。使用該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，Agere提出了SoC設(shè)計(jì)，即當(dāng)設(shè)備中的最低核心電壓是1.32V，接合溫度達(dá)到125 攝氏度，且使用最慢處理特性時(shí)，這種設(shè)計(jì)最少能容納1280 MIPS，是基于每個(gè)ARM966E-S核心160 MIPS的一種測量方法。在這些條件下，限制MIP數(shù)目的因素不是ARM966E-S核心（在這種技術(shù)下能達(dá)到200MIPs），而是指令/數(shù)據(jù)緊密耦合內(nèi)存 (TCM)的大小和形狀，以及AMBA 高速總線 (AHB)的物理長度。在Agere的最新技術(shù)(0.13um)里，已獲得不止兩倍的性能，同時(shí)使用AMBA 3.0 AXI協(xié)議，克服了AHB的局限性。
本設(shè)計(jì)是分等級的，它將ARM966E-S子系統(tǒng)排在最低級別。子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。
每個(gè)ARM966E-S子系統(tǒng)在每段設(shè)計(jì)里可使用2次，并同時(shí)添加第三方IP。而該段在設(shè)計(jì)中被復(fù)制4次。在層次的上一級也包括了第三方IP，最后，包括Agere所有的IO和測試結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在圖2中有說明。使用該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，Agere提出了SoC設(shè)計(jì)，即當(dāng)設(shè)備中的最低核心電壓是1.32V，接合溫度達(dá)到125 攝氏度，且使用最慢處理特性時(shí)，這種設(shè)計(jì)最少能容納1280 MIPS，是基于每個(gè)ARM966E-S核心160 MIPS的一種測量方法。在這些條件下，限制MIP數(shù)目的因素不是ARM966E-S核心（在這種技術(shù)下能達(dá)到200MIPs），而是指令/數(shù)據(jù)緊密耦合內(nèi)存 (TCM)的大小和形狀，以及AMBA 高速總線 (AHB)的物理長度。在Agere的最新技術(shù)(0.13um)里，已獲得不止兩倍的性能，同時(shí)使用AMBA 3.0 AXI協(xié)議，克服了AHB的局限性。
子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝基礎(chǔ)是Agere的 "AHB Supercore macrocell"。 Agere利用子系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，使Supercore滿足了SoC設(shè)計(jì)的要求。這就要求更改TCM配置，包括將部分?jǐn)?shù)據(jù)TCM內(nèi)存映射變?yōu)殡p口RAM。而且，增加了一個(gè)雙向的外部存儲(chǔ)接口(EMI) 和一個(gè)定制的矢量中斷控制器(VIC)。
測試設(shè)計(jì)功能性
一旦完成ARM966E-S子系統(tǒng)的RTL設(shè)計(jì)，Agere的工程師就創(chuàng)建了一套系統(tǒng)測試，以證明設(shè)計(jì)的功能性。除了可以測試ARM提供的矢量外，還可以測試合成的ARM966E-S核心的有效性。用于測試子系統(tǒng)的測試基準(zhǔn)使用了Synopsys LMC (邏輯模型化公司)軟內(nèi)存模式仿真TCM。
該測試組件還用于檢驗(yàn)各個(gè)步驟的分塊合成和構(gòu)造。一旦子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員確定了整個(gè)設(shè)計(jì)的合成，就會(huì)在融合到整個(gè)SoC設(shè)計(jì)前，將單獨(dú)的驗(yàn)證結(jié)果傳給SoC設(shè)計(jì)人員。為了遵守ARM許可協(xié)議，無需ARM966E-S門級連線表，而是與ARM966E-S DSM系統(tǒng)仿真的DSM（設(shè)計(jì)仿真模式）一并傳給第三方。
這是一個(gè)復(fù)雜的SoC設(shè)計(jì)，不僅需要測試性能，還需要相關(guān)的調(diào)試。將BIST、SCAN和邊界掃描結(jié)構(gòu)包含在內(nèi)，才有可能對整個(gè)設(shè)計(jì)的高故障覆蓋生產(chǎn)進(jìn)行測試。如果需要調(diào)試，除了需要一個(gè)結(jié)構(gòu)外，還需添加支持ICE在線仿真的ETM9 （內(nèi)置的蹤跡模塊）。
尤其是掃描技術(shù)，它不同于以往一次性掃描整個(gè)芯片的方法。每個(gè)分層的掃描都是單獨(dú)進(jìn)行的，然后合并起來進(jìn)入上一級。這里主要的工作區(qū)將所有以前掃描過的子模塊當(dāng)作黑盒子來處理，直至插入了掃描。之后在填寫設(shè)計(jì)連線表前，子模塊代替設(shè)計(jì)中的黑盒子，為上一級掃描和合并做準(zhǔn)備。這個(gè)過程在4 種不同層次上都有重復(fù)。從設(shè)計(jì)開始，Synopsys已發(fā)布了新版的設(shè)計(jì)編譯器，Agere用它成功掃描和編譯了許多復(fù)雜的分級設(shè)計(jì)，而無需精心制作的腳本。
邊界掃描結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使所有IO計(jì)時(shí)在IO和電壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中都是可預(yù)料的。這應(yīng)當(dāng)通過創(chuàng)建IO緩沖和邊界掃描物理布局宏單元獲得。這些宏單元與Agere的BCADu軟件相結(jié)合，建立最高級IO連接。每種接入接出宏單元都轉(zhuǎn)換為正確的電壓，并接收不同的掃描輸入和輸出。
這就意味著功能信號在核心內(nèi)不會(huì)與掃描信號相混淆。從而，隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)從頂級透視預(yù)測整個(gè)時(shí)序。IO環(huán)設(shè)計(jì)的另一特性是將邊界掃描時(shí)鐘TCK發(fā)送給數(shù)據(jù)的另一端。這就消除了與TCK有關(guān)的任何保留時(shí)序問題，同時(shí)意味著不必?fù)?dān)心時(shí)序平衡和芯片外圍的TCK時(shí)鐘樹。
由于這種設(shè)備是基于ARM的，且具有ICE性能，與IO邊界共享JTAG端口，所以需要進(jìn)行掃描。設(shè)計(jì)的TDO針需要在每兩個(gè)測試結(jié)構(gòu)間復(fù)用。為了實(shí)現(xiàn)這一特性，將邊界掃描控制器（Agere開發(fā)的BCAD軟件部分）變?yōu)榭芍С诌吔鐠呙杌騃CE。
復(fù)雜設(shè)計(jì)需要足夠的調(diào)試性能
ICE和ETM性能都添加到SoCy設(shè)計(jì)中。在設(shè)計(jì)規(guī)格階段，為每個(gè)ARM966E-S提供一個(gè)獨(dú)立的ETM9，費(fèi)用會(huì)很大，而且因?yàn)? 個(gè)ARM966E-S都具有同一功能，所以只需要其中的一個(gè)ARM966E-S。因此單個(gè)的ETM9放在核心最上層，并連接到單芯片的單ARM966E-S核心中，其它三個(gè)芯片的ETM接口未被連接。
SoC 設(shè)計(jì)的ICE性能需要依靠所有8個(gè)ARM966E-S核，能經(jīng)由設(shè)備的JTAG端口，通過TDI/TDO信號進(jìn)行通信。因?yàn)閾碛卸鄠€(gè)JTAG端口的解決方案并不很實(shí)用，因而有必要利用ARM966E-S的菊花鏈通信性能。菊花鏈控制的說明見圖3。菊花鏈系列連接要求在每兩個(gè)ARM966E-S核間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并意味著較低級別的TCK時(shí)鐘平衡變得重要了。為了使多ICE能以實(shí)用的調(diào)試速率運(yùn)行，TCK時(shí)鐘樹必須首先在芯片間，然后在芯片內(nèi)的ARM966E-S間達(dá)到平衡。
測試設(shè)計(jì)功能性
一旦完成ARM966E-S子系統(tǒng)的RTL設(shè)計(jì)，Agere的工程師就創(chuàng)建了一套系統(tǒng)測試，以證明設(shè)計(jì)的功能性。除了可以測試ARM提供的矢量外，還可以測試合成的ARM966E-S核心的有效性。用于測試子系統(tǒng)的測試基準(zhǔn)使用了Synopsys LMC (邏輯模型化公司)軟內(nèi)存模式仿真TCM。
該測試組件還用于檢驗(yàn)各個(gè)步驟的分塊合成和構(gòu)造。一旦子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員確定了整個(gè)設(shè)計(jì)的合成，就會(huì)在融合到整個(gè)SoC設(shè)計(jì)前，將單獨(dú)的驗(yàn)證結(jié)果傳給SoC設(shè)計(jì)人員。為了遵守ARM許可協(xié)議，無需ARM966E-S門級連線表，而是與ARM966E-S DSM系統(tǒng)仿真的DSM（設(shè)計(jì)仿真模式）一并傳給第三方。
這是一個(gè)復(fù)雜的SoC設(shè)計(jì)，不僅需要測試性能，還需要相關(guān)的調(diào)試。將BIST、SCAN和邊界掃描結(jié)構(gòu)包含在內(nèi)，才有可能對整個(gè)設(shè)計(jì)的高故障覆蓋生產(chǎn)進(jìn)行測試。如果需要調(diào)試，除了需要一個(gè)結(jié)構(gòu)外，還需添加支持ICE在線仿真的ETM9 （內(nèi)置的蹤跡模塊）。
尤其是掃描技術(shù)，它不同于以往一次性掃描整個(gè)芯片的方法。每個(gè)分層的掃描都是單獨(dú)進(jìn)行的，然后合并起來進(jìn)入上一級。這里主要的工作區(qū)將所有以前掃描過的子模塊當(dāng)作黑盒子來處理，直至插入了掃描。之后在填寫設(shè)計(jì)連線表前，子模塊代替設(shè)計(jì)中的黑盒子，為上一級掃描和合并做準(zhǔn)備。這個(gè)過程在4 種不同層次上都有重復(fù)。從設(shè)計(jì)開始，Synopsys已發(fā)布了新版的設(shè)計(jì)編譯器，Agere用它成功掃描和編譯了許多復(fù)雜的分級設(shè)計(jì)，而無需精心制作的腳本。
邊界掃描結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使所有IO計(jì)時(shí)在IO和電壓轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中都是可預(yù)料的。這應(yīng)當(dāng)通過創(chuàng)建IO緩沖和邊界掃描物理布局宏單元獲得。這些宏單元與Agere的BCADu軟件相結(jié)合，建立最高級IO連接。每種接入接出宏單元都轉(zhuǎn)換為正確的電壓，并接收不同的掃描輸入和輸出。
這就意味著功能信號在核心內(nèi)不會(huì)與掃描信號相混淆。從而，隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)從頂級透視預(yù)測整個(gè)時(shí)序。IO環(huán)設(shè)計(jì)的另一特性是將邊界掃描時(shí)鐘TCK發(fā)送給數(shù)據(jù)的另一端。這就消除了與TCK有關(guān)的任何保留時(shí)序問題，同時(shí)意味著不必?fù)?dān)心時(shí)序平衡和芯片外圍的TCK時(shí)鐘樹。
由于這種設(shè)備是基于ARM的，且具有ICE性能，與IO邊界共享JTAG端口，所以需要進(jìn)行掃描。設(shè)計(jì)的TDO針需要在每兩個(gè)測試結(jié)構(gòu)間復(fù)用。為了實(shí)現(xiàn)這一特性，將邊界掃描控制器（Agere開發(fā)的BCAD軟件部分）變?yōu)榭芍С诌吔鐠呙杌騃CE。
復(fù)雜設(shè)計(jì)需要足夠的調(diào)試性能
ICE和ETM性能都添加到SoCy設(shè)計(jì)中。在設(shè)計(jì)規(guī)格階段，為每個(gè)ARM966E-S提供一個(gè)獨(dú)立的ETM9，費(fèi)用會(huì)很大，而且因?yàn)? 個(gè)ARM966E-S都具有同一功能，所以只需要其中的一個(gè)ARM966E-S。因此單個(gè)的ETM9放在核心最上層，并連接到單芯片的單ARM966E-S核心中，其它三個(gè)芯片的ETM接口未被連接。
SoC 設(shè)計(jì)的ICE性能需要依靠所有8個(gè)ARM966E-S核，能經(jīng)由設(shè)備的JTAG端口，通過TDI/TDO信號進(jìn)行通信。因?yàn)閾碛卸鄠€(gè)JTAG端口的解決方案并不很實(shí)用，因而有必要利用ARM966E-S的菊花鏈通信性能。菊花鏈控制的說明見圖3。菊花鏈系列連接要求在每兩個(gè)ARM966E-S核間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并意味著較低級別的TCK時(shí)鐘平衡變得重要了。為了使多ICE能以實(shí)用的調(diào)試速率運(yùn)行，TCK時(shí)鐘樹必須首先在芯片間，然后在芯片內(nèi)的ARM966E-S間達(dá)到平衡。
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