引 言

SOC設(shè)計(jì)的快速發(fā)展是以IP核復(fù)用為基礎(chǔ)的,。IP核的復(fù)用極大地提高了SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)效率,，SoC 片上總線(xiàn)的選擇是IP核間集成與互連的關(guān)鍵技術(shù)之一,。目前片上總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議眾多,，如ARM公司提出的AMBA總線(xiàn),、OPEN CORES組織提出的WishBone總線(xiàn),、IBM公司提出的CoreConnect總線(xiàn)等。SoC片上總線(xiàn)的多樣性對(duì)IP核的封裝規(guī)范提出了要求,。標(biāo)準(zhǔn)的IP核封裝規(guī)范有助于提高IP核的復(fù)用甚至實(shí)現(xiàn)核的即插即用,。基于提高IP核復(fù)用以及即插即用目的,，OCP-IP組織提出了OCP-IP標(biāo)準(zhǔn),。

1 OCP-lP標(biāo)準(zhǔn)介紹

1．1 OCP協(xié)議

OCP(Open Core Protoco1)標(biāo)準(zhǔn)是OCP-IP組織制定的一種以提高IP核的復(fù)用及實(shí)現(xiàn)IP核的即插即用為目的的IP核標(biāo)準(zhǔn)。SoC芯片設(shè)計(jì)不再是門(mén)級(jí)的設(shè)計(jì),，而是IP核復(fù)用及其接口的設(shè)計(jì),。IP核要集成到一個(gè)SoC系統(tǒng)中，要考慮很多問(wèn)題,，例如：模塊間的同步,，如全局執(zhí)行,、數(shù)據(jù)交換的同步操作等；協(xié)議轉(zhuǎn)換匹配,，不同IP核模塊間可能使用不同的協(xié)議,，這樣必須考慮協(xié)議轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。這些問(wèn)題給IP復(fù)用帶來(lái)了一定的難度,，并使SoC芯片的time-to-market (上市時(shí)間)延長(zhǎng),。為解決這些問(wèn)題，一些大公司提出了自己的總線(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn),，如ARM的AMBA總線(xiàn),、IBM的CoreConnect總線(xiàn)、Altera的 Avalon總線(xiàn)等,。因?yàn)楹说亩鄻有?，使用完全相同的總線(xiàn)接口是不現(xiàn)實(shí)的,。這就意味著,，如果總線(xiàn)A上的一個(gè)IP核要移植到另一系統(tǒng)的總線(xiàn)B上，就需要更改此IP的接口以及數(shù)據(jù)交換的方式,。如果設(shè)計(jì)者不了解總線(xiàn)B的數(shù)據(jù)交換協(xié)議,，這樣就對(duì)SoC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)一系列困難。OCP-IP正是針對(duì)這些問(wèn)題提出的,。OCP協(xié)議是免費(fèi)的,，獨(dú)立于具體的總線(xiàn)。它將軟件中的分層概念應(yīng)用到IP核接口,，提供一種具有通用結(jié)構(gòu)定義,、可擴(kuò)展的接口協(xié)議，能完全滿(mǎn)足IP內(nèi)核通信機(jī)制的所有要求,，方便了IP核與系統(tǒng)的集成,。

OCP協(xié)議使IP核的功能與系統(tǒng)的接口無(wú)關(guān)，設(shè)計(jì)人員不需要了解IP核的功能也能利用它進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),。OCP接口允許設(shè)計(jì)者根據(jù)不同的目的配置接口,，包括接口的數(shù)據(jù)寬度、交換的握手協(xié)議等,，并且在SoC設(shè)計(jì)中可以裁剪核的功能,，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，減小面積,，同時(shí)滿(mǎn)足SoC的要求,；OCP接口還保持核在集成到系統(tǒng)的過(guò)程中完全不被改變(即在總線(xiàn)寬度、總線(xiàn)頻率或電氣負(fù)載有變化時(shí)核保持不變),。使用OCP接口的設(shè)計(jì)可以交付即插即用的模塊,，同時(shí)支持核的開(kāi)發(fā)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)并行,，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。

OCP采用套接口(socket)的方法實(shí)現(xiàn)IP核的即插即用,，如圖1所示,。Target Bus A表示總線(xiàn)A，Target Bus B表示總線(xiàn)B,。不論總線(xiàn)A或者總線(xiàn)B是哪一類(lèi)總線(xiàn)協(xié)議,，只要總線(xiàn)上提供了OCP的接口，那么符合OCP協(xié)議的IP核就可以隨意集成到任意總線(xiàn)上去,，不需要重新設(shè)計(jì)IP核的接口,。


1．2 OCP通信方式

OCP協(xié)議定義了兩個(gè)通信實(shí)體問(wèn)點(diǎn)到點(diǎn)的接口。其中一個(gè)實(shí)體作為通信的主體(Master),，另一個(gè)作為從體(Slave),。只有Master可以發(fā)命令，Slave響應(yīng)Master的命令,，接收或發(fā)送數(shù)據(jù),。封裝接口模塊必須擔(dān)當(dāng)每個(gè)連接實(shí)體的對(duì)應(yīng)端，當(dāng)連接實(shí)體是Master時(shí),，封裝接口模塊就作為對(duì)應(yīng)的Slave,；當(dāng)連接實(shí)體是Slave時(shí)，封裝接口模塊作Master,。

OCP的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示,。圖中有3個(gè)IP核，其中左邊標(biāo)有主控的IP核是通信的發(fā)起方或者主控方,，稱(chēng)為Master,；最右邊標(biāo)有目標(biāo)的是通信的目標(biāo)對(duì)象，稱(chēng)為Slave,；中間的IP核既可作為Master又可作Slave,；下面的框代表OCP-IP封裝接口模塊；從Master出來(lái)并進(jìn)入Slave的箭頭表示OCP請(qǐng)求命令,，從Slave出來(lái)并進(jìn)入Master的箭頭表示OCP的響應(yīng),。2個(gè)IP核通過(guò)接口通信的過(guò)程是：功能為Master的IP核發(fā)出請(qǐng)求命令給對(duì)應(yīng)的Slave端(總線(xiàn)封裝接口模塊)；封裝接口模塊將請(qǐng)求命令轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的總線(xiàn)命令傳送給接收方的總線(xiàn)封裝模塊,；接收方的總線(xiàn)封裝模塊再作為Master,，把對(duì)應(yīng)的內(nèi)部總線(xiàn)傳輸轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的OCP命令傳送給目標(biāo)IP核，目標(biāo)IP核接收到命令并響應(yīng)命令和返回讀寫(xiě)的數(shù)據(jù),。

2 基于A(yíng)MBA總線(xiàn)的OCP接口設(shè)計(jì)

AMBA(Advaneed Microcontroller Bus Architecture)總線(xiàn)規(guī)范是ARM公司設(shè)計(jì)的一種用于高性能嵌入式系統(tǒng)的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn),。AMBA總線(xiàn)規(guī)范是開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)ARM公司的授權(quán)就可以免費(fèi)獲得,。它獨(dú)立于處理器和制造工藝技術(shù),，增強(qiáng)了各種應(yīng)用中的外設(shè)和系統(tǒng)IP核單元的可重用性,。2．O版AMBA標(biāo)準(zhǔn)定義了3組總線(xiàn)：AHB(AM-BA高性能總線(xiàn))、ASB(AMBA系統(tǒng)總線(xiàn)),、和APB(AM-BA外設(shè)總線(xiàn)),。AHB總線(xiàn)應(yīng)用于要求高速度高帶寬的系統(tǒng)。本文以AHB總線(xiàn)為例,，說(shuō)明OCP -IP如何集成到SOC系統(tǒng)總線(xiàn)上,。AMBA總線(xiàn)基本傳輸時(shí)序如圖3所示。HCLK表示AMBA系統(tǒng)時(shí)鐘,，HADDR[31：0]表示32位地址總線(xiàn),， HWDATA[31：O]表示32位寫(xiě)操作時(shí)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，HREADY是AMBA總線(xiàn)的讀寫(xiě)狀態(tài)信號(hào)(狀態(tài)為低電平時(shí),，表示一次讀寫(xiě)操作完成),， HRDATA[31：0]表示讀操作時(shí)的數(shù)據(jù)總線(xiàn)。

OCP-IP核的功能是可裁剪的,，即OCP-IP的大部分信號(hào)都是可選擇的,。根據(jù)核的功能，選擇使用不同的信號(hào),。OCP協(xié)議中共有三大類(lèi)型號(hào)：數(shù)據(jù)流信號(hào) (dataflowsignals),、邊帶信號(hào)(sideband),、測(cè)試信號(hào)(test signals),。數(shù)據(jù)流信號(hào)主要包括：基本信號(hào)(basic signals)、簡(jiǎn)單擴(kuò)展信號(hào)(simple extensions signals),、突發(fā)擴(kuò)展信號(hào)(burst exten-sions signals)和線(xiàn)程擴(kuò)展信號(hào)(thread extensions signals),。邊帶信號(hào)主要包括：復(fù)位(．Reset)、中斷(Interrupt),、錯(cuò)誤(Error)等信號(hào),。測(cè)試信號(hào)主要包括用于支持掃描 (Scan)、時(shí)鐘控制和IEEE 1149．1(JTAG)的信號(hào),。此處用到的OCP信號(hào)包括：Reset(復(fù)位),、Clk(時(shí)鐘)、En-ableClk(時(shí)鐘使能),、MAddr(地址),、MCmd(命令)、MData(數(shù)據(jù)),、SCmDACcept(命令接受),、SData(Slave數(shù)據(jù))、SResp(操作成功標(biāo)志),。簡(jiǎn)單的 OCP讀寫(xiě)時(shí)序如圖4所示,。Request Phase表示請(qǐng)求階段,，Response Phase表示響應(yīng)階段。A處由系統(tǒng)Master發(fā)出1個(gè)WR寫(xiě)命令,，并給出地址A1和數(shù)據(jù)D1,。隨即Slave發(fā)出命令接受響應(yīng)ScmdAccept，此處一個(gè)周期完成了一個(gè)寫(xiě)周期操作,，不需要Slave給出寫(xiě)操作成功響應(yīng),。C處系統(tǒng)Master發(fā)出一個(gè)RD讀命令，并給出要讀取的地址A2,。Slave 隨即給出命令接受響應(yīng)信號(hào)SCmdAccept,，在下一個(gè)時(shí)鐘周期D處Slave給出要讀取的數(shù)據(jù)D2并在Slave響應(yīng)信號(hào)SResp上給出讀操作成功標(biāo)志DVA。此處讀操作用了2個(gè)時(shí)鐘周期,。

OCP-IP跟AMBA總線(xiàn)的通信通過(guò)設(shè)計(jì)2個(gè)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn),，1個(gè)用于接收AMBA總線(xiàn)上的流水?dāng)?shù)據(jù)，1個(gè)用于發(fā)送接收的數(shù)據(jù)并以O(shè)CP標(biāo)準(zhǔn)的方式發(fā)送,。接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)編碼如下：

H_CTRL_PHASE1用于存儲(chǔ)第1級(jí)流水指令,，H_CTRL_PHASE2用于存儲(chǔ)第2級(jí)流水指令，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示,。當(dāng)AMBA總線(xiàn)上發(fā)出第1個(gè)讀寫(xiě)指令,，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入H_CTRL_PHASE1狀態(tài)，并將第1個(gè)讀寫(xiě)指令轉(zhuǎn)換成OCP命令,。因?yàn)锳MBA總線(xiàn)是基于流水的操作,，所以第2條指令的發(fā)出不需要等第1條指令執(zhí)行結(jié)束。這時(shí)候,，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入H_CTRL_PHASE2狀態(tài),，并將此指令存儲(chǔ)起來(lái)，等OCP命令執(zhí)行結(jié)束立即將此存儲(chǔ)的指令轉(zhuǎn)換成OCP命令,。這時(shí)如果AMBA總線(xiàn)上再次發(fā)出第3條指令,，則狀態(tài)機(jī)進(jìn)入H_CTRL_PHASE1狀態(tài)，并存儲(chǔ)此指令,。

發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)編碼如下：

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示,。當(dāng)接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)接收到AMBA總線(xiàn)上的命令時(shí)，狀態(tài)機(jī)讓OCP接口進(jìn)入第1個(gè)讀寫(xiě)操作狀態(tài),，即READl狀態(tài)或者WRITE1 狀態(tài),。如果AMBA總線(xiàn)上有持續(xù)的流水操作命令，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入READ2狀態(tài)或者WRITE2狀態(tài),，即在A(yíng)MBA流水操作的條件下,，以1結(jié)尾的狀態(tài)的下一個(gè)狀態(tài)一定是以2結(jié)尾的狀態(tài)，反之以2結(jié)尾的狀態(tài)的下一個(gè)狀態(tài)一定是以1結(jié)尾的狀態(tài)。

3 OCP-IP標(biāo)準(zhǔn)封裝軟件設(shè)計(jì)

OCP是一種IP的標(biāo)準(zhǔn),，但不僅僅是IP的接口和數(shù)據(jù)的交換方式,，還規(guī)定了IP的配置、端口等信息,，即所謂的OCP配置文件,。讀取OCP配置文件中的內(nèi)容，就可以知道此IP對(duì)應(yīng)的OCP接口的性能,，從而對(duì)總線(xiàn)上的接口進(jìn)行配置,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)IP的即插即用。雖然IP的功能是多樣的,，總線(xiàn)的數(shù)據(jù)交互方式也是多樣的,，但OCP接口的時(shí)序是固定的。這樣就可以通過(guò)設(shè)計(jì)軟件提取IP的端口信息,，并自動(dòng)生成相應(yīng)的OCP接口模塊,。該封裝軟件運(yùn)行流程如圖7所示。用戶(hù)的 IP可以直接掛在該SOC平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證,，同時(shí)也可以直接集成到其他帶有OCP接口的SoC系統(tǒng)中去,，加快IP的驗(yàn)證和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

封裝軟件采用MFC(微軟基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù))來(lái)編寫(xiě),。通過(guò)設(shè)計(jì)用戶(hù)界面,，用戶(hù)只要輸入IP的時(shí)鐘、地址,、數(shù)據(jù),、讀寫(xiě)控制信號(hào)等，就可以自動(dòng)生成1個(gè)OCP的接口,，以及標(biāo)準(zhǔn)的配置文件,，從而實(shí)現(xiàn)IP的即插即用以及IP的統(tǒng)一管理,。

結(jié) 語(yǔ)

OCP是免費(fèi)的基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)腎P核的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,，可重配置以及可擴(kuò)展性很強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的IP核即插即用,，減少SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)間,。本文討論了OCP-IP的協(xié)議與特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于A(yíng)MBA總線(xiàn)的OCP-IP接口,，提出了一種IP自動(dòng)封裝的方法,，為IP核的集成和管理帶來(lái)極大的方便。

l