第八章 系统芯片SOC设计

SystemC由一组 由一组C++类库组成，是一种可描述硬件和软件 类库组成， 由一组 类库组成 的系统建模语言。 的系统建模语言。它提供了一个支持硬件描述的类库和一个解释 硬件描述的调度器，并从C++继承了对软件的描述能力。用户可 继承了对软件的描述能力。 硬件描述的调度器，并从 继承了对软件的描述能力 使用SystemC对SOC进行描述，然后使用一般 进行描述， 使用 对 进行描述 然后使用一般C++编译器及连 编译器及连 接器（ 接器（如Microsoft Visual C++、Borland C++和GNU GCC 、 和 等）对SystemC描述、调度器和相关的硬件类库进行编译、链接， 描述、调度器和相关的硬件类库进行编译、链接， 描述 能够产生可执行的系统描述。 能够产生可执行的系统描述。 就SOC本身而言，它解决了系统级设计所面临的挑战， 本身而言，它解决了系统级设计所面临的挑战， 本身而言 SystemC功能之所以强大，在于它可以作为系统设计师、软件工 功能之所以强大， 功能之所以强大 在于它可以作为系统设计师、 程师和硬件工程师的共同语言。 允许IP模型的复用 程师和硬件工程师的共同语言。SystemC允许 模型的复用， 允许 模型的复用， 可共用工具的集成开发环境创建，完成从概念到实现的设计过程。 可共用工具的集成开发环境创建，完成从概念到实现的设计过程。 同时， 语言的RTL级描述，现在也可以用 级描述， 同时，Verilog和VHDL语言的 和 语言的 级描述 SystemC在SoC设计中实现。 在 设计中实现。 设计中实现
SOC建模语言 建模语言SystemC 建模语言
SystemC:一种软硬件联合建模语言 : 在1999年11月，以Synopsys、CoWare、Froniter 年 月 、 、 Design、ARM、Cygnus Solution、Ericsson、 、 、 、 、 Fujitsu、Infineon、Lucent Technologies、 、 、 、 Sony、ST Microelectronics、Taxas Instruments 、 、 等为代表的、世界上最主要的 工具开发商、 供 等为代表的、世界上最主要的EDA工具开发商、IP供 工具开发商 应商、半导体厂家、 应商、半导体厂家、系统和嵌入式软件公司联合宣布成 ），共同合作开 立OSCI（Open SystemC Initiative），共同合作开 （ ）， 发一种C++建模平台，即SystemC，它是一种开放的 发一种 建模平台， ， 建模平台 语言。 语言。
基本概念
系统芯片： 系统芯片：将一个系统的多个部分集成在一个芯片上 广义：将信息获取、处理、存储、 广义：将信息获取、处理、存储、交换甚至执行功能集 成 狭义：将信息处理、存储、交换等功能集成 狭义：将信息处理、存储、
单芯片蓝牙SoC系统框架图
特征： 特征： 含有实现复杂功能的VLSI 含有实现复杂功能的 使用嵌入式CPU和DSP 和 使用嵌入式 采用IP核进行设计 采用 核进行设计 采用VDSM技术 技术 采用 具有从外部对芯片编程的功能
OSCI仿照 仿照Linux 形式将 形式将SystemC 的源代码在 的源代码在Web 网上 仿照 公开供用户免费下载， 公开供用户免费下载，用户可以用这些源代码和编译器开发自己 的模型，并与其他用户共享。认同开放式SystemC 的公司还包 的模型，并与其他用户共享。认同开放式 括Actel、Alcatel、Altera、American Applied Research、 、 、 、 、 ARC Cores、C0-Design Automation、Integrated Silicon 、 、 Systems、Intellectrual Property、MIPS Technologies、 、 、 、 Simulation Magic、Summit Design、Sun Microsystems、 、 、 、 Viewlogic Systems、Xilinx等全球著名公司，这些公司都认为 等全球著名公司， 、 等全球著名公司 SystemC 是一种很好的硬件软件联合设计语言。Ericsson 公司 是一种很好的硬件软件联合设计语言。 微电子部主任Jan-Olof Kismalm 说：“通信系统的复杂性在不 微电子部主任 断地增加而新的系统却要求以更短的时间推向市场为了以最短的 时间开发出复杂的产品， 时间开发出复杂的产品，需要我们采用单一的语言描述复杂的行 为和 IP，我们相信 ，我们相信SystemC 可以帮助我们以更好的方法描述我 们的系统， 们的系统，并在设计过程的初始阶段进行有效的硬件软件联合设 这可以大大缩短我们开发产品的时间” 计。这可以大大缩短我们开发产品的时间”。Kismalm 先生的 话表达了世界上众多公司欢迎SystemC 的原因。 的原因。 话表达了世界上众多公司欢迎
软硬件协同设计 软硬件划分，协同指标定义，协同分析，协同模拟， 软硬件划分，协同指标定义，协同分析，协同模拟， 协同验证， 协同验证，接口综合 在进行软硬件划分时，通常有两个主要的任务：第 在进行软硬件划分时，通常有两个主要的任务： 分配（ ），也就是选择系统部件的过 一，分配（allocation），也就是选择系统部件的过 ）， 包括选择系统部件的类型、 程，包括选择系统部件的类型、确定每种类型的数 第二，划分（ ），在选择的部件上 量；第二，划分（partitioning），在选择的部件上 ）， 分配系统的功能， 分配系统的功能，也就是把系统的功能进行合理的 分块，使每一块映射到相应合理的部件上。 分块，使每一块映射到相应合理的部件上。这两个 设计任务必须满足设计限制集，包括花费、性能、 设计任务必须满足设计限制集，包括花费、性能、 尺寸、功能、向后兼容等。 尺寸、功能、向后兼容等。
SoC概述 概述
以超深亚微米VDSM（Very Deep Sub Micron）工艺和 知识产权IP（Intellectual Property）核复用 （Reuse）技术为支撑。 是当今超大规模集成电路的发展趋势，也是21世纪集 成电路技术的主流，为集成电路产业提供了前所未有 的广阔市场和难得的发展机遇。 设计中，设计者面对的不再是电路芯片；而是能实现 设计功能的IP模块库。 设计不能一切从头开始，要将设计建立在较高的基础 之上，利用己有的IP芯核进行设计重用。 建立在IP芯核基础上的系统级芯片设计技术，使设计 方法从传统的电路级设计转向系统级设计。
2. SOC设计过程 设计过程
要求——>系统描述 系统描述 要求 设计高层次算法级模型， 设计高层次算法级模型，验证 对系统进行软硬件划分， 对系统进行软硬件划分，定义接口 进行软硬件协同仿真验证 对硬件进一步划分成数个宏单元， 对硬件进一步划分成数个宏单元，并集成验证 系统集成， 系统集成，验证测试
SystemC通过在 通过在C++中增加了一个新类库的方法 ， 实现对 中增加了一个新类库的方法， 通过在 中增加了一个新类库的方法 C++的扩充，这个新扩充的类库主要用来描述硬件模型的特性， 的扩充， 的扩充 这个新扩充的类库主要用来描述硬件模型的特性， 扩充的内容包括： 扩充的内容包括： 类模板SC-module： 其作用相当于 （ 1 ） 类模板 ： 其作用相当于VHDL语言的设计实体 语言的设计实体 ENTITY，由它构成系统模型的基本划分单元。我们可以将硬件 ，由它构成系统模型的基本划分单元。 划分为许多设计实体，每一个设计实体作为一个SC-module， 划分为许多设计实体 ，每一个设计实体作为一个 ， 每个SC-module包括端口、 构造函数、数据成员、子模块和进 每个 包括端口、 构造函数、 数据成员、 包括端口 程等描述。 程等描述。 函数Process进程：用于处理并发机制，包括 进程： （2） 函数 进程 用于处理并发机制，包括SC-module、 、 SC-thread和SC-cthread。它可以实现硬件功能的仿真，可以 和 。它可以实现硬件功能的仿真， 被激活和挂起（由系统对C++多线程的调度能力实现）。 SystemC提供了进程对 提供了进程对clock、event和wait语句的敏感和挂起 提供了进程对 、 和 语句的敏感和挂起 机制，同时支持周期仿真机制。 机制，同时支持周期仿真机制。
SOC三大支撑技术： 三大支撑技术： 三大支撑技术 软硬件协同设计技术 IP设计和复用技术 设计和复用技术 超深亚微米设计技术
IP:Intellectual Property
IP: 具有知识产权的经过验证、性能优化、可以被复用 具有知识产权的经过验证、性能优化、 的功能模块或子系统。 的功能模块或子系统。 IP核，IP模块，系统宏单元，虚拟部件 核 模块， 模块 系统宏单元， IP复用：对系统中的有些模块直接用现成的IP来实现 复用：对系统中的有些模块直接用现成的 来实现 复用
嵌入式系统的典型设计过程

3. SOC关键技术和问题 关键技术和问题
软硬件协同设计： 软硬件协同设计： 实际上就是一个系统的软件部分、 实际上就是一个系统的软件部分、硬件部分协同开发 的过程。在整个设计过程中， 的过程。在整个设计过程中，考虑系统软硬件部分 之间的相互作用以及探索它们之间的权衡划分， 之间的相互作用以及探索它们之间的权衡划分，实 际的软硬件协同设计覆盖设计过程中的许多问题， 际的软硬件协同设计覆盖设计过程中的许多问题， 包括系统说明与建模、异构系统的协同仿真、软硬 包括系统说明与建模、异构系统的协同仿真、 件划分、系统验证、编译、软硬件集成、界面生成、 件划分、系统验证、编译、软硬件集成、界面生成、 性能与花费评估、优化等， 性能与花费评估、优化等，其中软硬件划分是协同 设计中最主要的挑战， 设计中最主要的挑战，它直接影响最后产品的性能 与价格。 与价格。
系统芯片：通过 核复用来提高设计产能 核复用来提高设计产能， 系统芯片：通过IP核复用来提高设计产能，通过系 统集成来涵盖不同的技术，进行混合技术设计，包 统集成来涵盖不同的技术，进行混合技术设计， 括嵌入式、高性能或低功耗逻辑、模拟、 括嵌入式、高性能或低功耗逻辑、模拟、射频等技 术的集成。 术的集成。