引 言
SoC(system on chip) 是微電子技術(shù)發(fā)展的一個新的里程碑,，SoC不再是一種功能單一的單元電路,，而是將信號采集、處理和輸出等完整的系統(tǒng)集成在一起,，成為一個有專用目的的電子系統(tǒng)單片,。其設(shè)計(jì)思想也有別于IC，在一個或若干個單片上完成整個系統(tǒng)的功能,。
SoC開發(fā)和設(shè)計(jì)存在一些問題,，如描述語言不統(tǒng)一、抽象層次低,、仿真速度慢,、可重用性差、設(shè)計(jì)性能無法保障,、RTL級發(fā)現(xiàn)的問題需要重新進(jìn)行整個的設(shè)計(jì)流程才能解決,，因此SoC的建模與設(shè)計(jì)的方法成為當(dāng)前刻不容緩的課題。上述種種問題與曾經(jīng)困惑軟件業(yè)的“軟件危機(jī)”的表現(xiàn)非常類似,，為了解決軟件危機(jī),，人們提出了軟件工程。因此,，本文的思路是將軟件工程中應(yīng)用最為廣泛的面向?qū)ο蠹夹g(shù)引入到SoC設(shè)計(jì)當(dāng)中,。
設(shè)計(jì)模式是面向?qū)ο蟮木瑁谲浖幸呀?jīng)得到了廣泛的運(yùn)用,，在SoC設(shè)計(jì)中使用設(shè)計(jì)模式,，可以降低軟硬件開發(fā)之間的鴻溝，對于軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)有很大的幫助,，使系統(tǒng)得到更大的可伸縮性。
SoC設(shè)計(jì)方法學(xué)
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法
在傳統(tǒng)SoC設(shè)計(jì)過程中,，系統(tǒng)一開始就被劃分為軟件和硬件2大部分,，軟件和硬件獨(dú)立進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)這樣隱含一些問題，如軟硬件之間的交互受到很大限制,、軟硬件之間的相互性能影響造成很難評估和系統(tǒng)集成相對滯后,，導(dǎo)致設(shè)計(jì)質(zhì)量差、設(shè)計(jì)修改難和研制周期不能有效保障,。
傳統(tǒng)SoC設(shè)計(jì)流程中,，EDA設(shè)計(jì)方法只作用于SoC后級，缺乏SoC前級設(shè)計(jì)方法與系統(tǒng)驗(yàn)證策略,，從而導(dǎo)致了RTL電路模型中錯誤成分復(fù)雜化與驗(yàn)證人工開銷激增. 另外,，軟件開發(fā)者必須等到硬件的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)都完成并通過驗(yàn)證之后，才能開始軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),，所以開發(fā)的周期將會持續(xù)很長,，產(chǎn)品的競爭力會因此而下降.
基于模式的設(shè)計(jì)方法
針對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不足,，新的SoC設(shè)計(jì)方法應(yīng)該在行為級就開始建立仿真模型和進(jìn)行行為與結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證，同時必須強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)化,、封裝和重用硬件設(shè)計(jì)在高層次的抽象的重要性,。
因此，本文提出基于模式的SoC設(shè)計(jì)方法PBSOC ,，如圖1所示,，強(qiáng)調(diào)高層次的系統(tǒng)建模，更有利于設(shè)計(jì)的復(fù)用. 在需求分析階段,，根據(jù)規(guī)格說明,，使用面向?qū)ο蟮姆治龇椒ǎo出用例的關(guān)系和順序圖. 在系統(tǒng)級設(shè)計(jì)階段,，使用統(tǒng)一的語言SystemC進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì),。SystemC是由Open SystemC Initiative (OSCI) 提出和維護(hù)的開放源代碼的基于C++統(tǒng)一軟硬件建模平臺. 軟硬件模塊都用C++ 描述，對不同軟硬件劃分方案的評估和權(quán)衡可以方便地進(jìn)行,。
PBSOC使用形式化方法和面向?qū)ο蟮腜etri網(wǎng)對系統(tǒng)的行為和結(jié)構(gòu)建模,，不涉及任何結(jié)構(gòu)和時間的細(xì)節(jié)，并通過實(shí)時UML進(jìn)行可視化的描述. 它不僅具備傳統(tǒng)面向?qū)ο蠓椒ㄋ哂械娘L(fēng)格,，而且具有Petri網(wǎng)直觀模擬系統(tǒng)動態(tài)行為的優(yōu)點(diǎn),，從而能夠更加簡潔、清楚地描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和組成元素之間的層次關(guān)系,。將Petri網(wǎng)思想引入面向?qū)ο蠼．?dāng)中,，可將系統(tǒng)看作是一些相互作用的對象組成的集合。集合中的每個對象都具有自己的屬性和任務(wù),，它們根據(jù)收到的消息,、句柄等來完成相應(yīng)的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能.在系統(tǒng)級建立面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式庫和IP復(fù)用庫,，OO庫即面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫,，主要存放的是各種SoC設(shè)計(jì)模式(pattern) ，在SoC系統(tǒng)框架設(shè)計(jì),、IP設(shè)計(jì)以及IP通信設(shè)計(jì)中都可以使用模式,。IP庫中存放的可以是普通的IP核，即其他廠商設(shè)計(jì)的成熟的IP,；也可以是用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)的一些IP 核,，即IP 的設(shè)計(jì)過程也遵從于PBSOC。
圖1 PBSOC 設(shè)計(jì)框架
SOC設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)模式
設(shè)計(jì)模式
模式是解決某一類問題的方法論,，它把解決某類問題的方法總結(jié)歸納到理論高度,。雖然模式起源于建筑，但其思想也同樣適用于面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模式,。指導(dǎo)模式設(shè)計(jì)有3個重要概念,，即重用( reuse) ,、接口與實(shí)現(xiàn)分離和低耦合(loose couple)。重用是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo),，主要通過繼承(inheritance) 和對象復(fù)合(composition) 實(shí)現(xiàn). 接口與實(shí)現(xiàn)分離指接口保持不變,，用分離帶來靈活性，主要表現(xiàn)形式為多態(tài)性(polymorphism),。低耦合可以降低復(fù)雜性,。
現(xiàn)存的硬件設(shè)計(jì)模式和重用方法主要是處理RTL(寄存器傳輸級) 設(shè)計(jì)和編碼的。這種在設(shè)計(jì)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)在設(shè)計(jì)重用時是非常重要和有用的,，然而并沒有涉及系統(tǒng)級設(shè)計(jì)的問題,。因此在系統(tǒng)級應(yīng)用面向?qū)ο?/a>的方法可以克服這些鴻溝，使用設(shè)計(jì)模式還可以更快速和直觀地捕捉設(shè)計(jì)的內(nèi)容,，提高設(shè)計(jì)的可理解性,，將抽象的級別上升到系統(tǒng)級，能夠處理更復(fù)雜的硬件設(shè)計(jì),。
SoC設(shè)計(jì)模式
SoC的設(shè)計(jì)模式與軟件的設(shè)計(jì)模式的不同,，主要在于軟件和硬件的設(shè)計(jì)差別。SoC的設(shè)計(jì)不僅包括軟件,，還有硬件以及軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì),，因此，它涉及物理約束,、實(shí)時性和并發(fā)等關(guān)鍵問題,。所以要將軟件的模式進(jìn)行改造，并使用軟硬件通用的描述語言進(jìn)行描述,。
軟件設(shè)計(jì)模式中運(yùn)用得比較多的面向?qū)ο蠓椒ㄊ抢^承,，它同樣適用于SoC的設(shè)計(jì)模式當(dāng)中，但必須考慮SoC系統(tǒng)中的物理約束,。一些軟件設(shè)計(jì)模式,，主要是創(chuàng)建型模式，能夠動態(tài)地生成系統(tǒng)的對象,，而SoC系統(tǒng)中硬件部分結(jié)構(gòu)是靜態(tài)的，因此,，它們不適合于SoC硬件部分設(shè)計(jì)模式,，但是對于SoC系統(tǒng)中的軟件模塊還是可以適用的，例如原型模式和命令模式等,。
大部分的結(jié)構(gòu)型模式只需要稍做修改就可以應(yīng)用到SoC設(shè)計(jì)中,，主要是實(shí)現(xiàn)方式的問題，即用軟硬件通用的語言來重新描述它,。而行為型的模式,，需要加入實(shí)時系統(tǒng)中一些約束,。對于典型軟件模式改造的前提和目標(biāo)是設(shè)計(jì)的可重用性，主要是SoC系統(tǒng)級設(shè)計(jì)的可重用,。在SoC中FSM(有限狀態(tài)機(jī)) 是最常用的一種行為表達(dá)方式,，因此狀態(tài)轉(zhuǎn)換的頻率是非常多的.如下面的狀態(tài)模式，通過改造,，可以用于描述硬件設(shè)計(jì),。
新的SoC設(shè)計(jì)模式的提出是PBSOC 最終的目標(biāo)。它主要針對的就是高層次SoC設(shè)計(jì)中最常用的一些設(shè)計(jì)方法,，以及構(gòu)筑SoC系統(tǒng)的基本組件和基本結(jié)構(gòu)
,，如層適配模式(layeradapter pattern) 和包裝器模式(wrapper)。本文僅給出了模式的結(jié)構(gòu),，具體的實(shí)現(xiàn)不在此贅述,。
(1) 狀態(tài)模式(state pattern)
狀態(tài)模式的意圖是使一個對象在內(nèi)部狀態(tài)改變時可以改變自己的行為，從客戶看來,，好像對象改變了它的類,。即不同的狀態(tài)，不同的行為,；或者說,，每個狀態(tài)有著相應(yīng)的行為.考慮SoC片上總線協(xié)議， 片上總線總是有3 個狀態(tài): 閑( IDL E) ,、忙(BUSY) 和關(guān)閉(CLOSE) . 而各個狀態(tài)的處理過程不一樣. 如圖2 所示,，BusProtocol 類維護(hù)一個表示總線當(dāng)前狀態(tài)的狀態(tài)對象(一個BusState 子類的實(shí)例) . BusProtocol 類將所有與狀態(tài)相關(guān)的請求委托給這個狀態(tài)對象. BusProtocol 使用它的BusState 子類實(shí)例來執(zhí)行特定于連接狀態(tài)的操作. 一旦總線狀態(tài)改變， BusProtocol 對象就會改變它所使用的狀態(tài)對象. 例如,，當(dāng)片上總線從閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)為忙狀態(tài)時,，BusProtocol 會用一個BusBusy 的實(shí)例來代替原來的BusIdle 的實(shí)例。
圖2 狀態(tài)模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
State 模式不指定哪一個參與者定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則. 如果該準(zhǔn)則是固定的,， 那么它們可在Context 中完全實(shí)現(xiàn). 然而若讓State 子類自身指定它們的后繼狀態(tài)以及何時進(jìn)行轉(zhuǎn)換,， 通常更靈活、更合適. 這需要Context 增加一個接口,， 讓State 對象顯式地設(shè)定Context 的當(dāng)前狀態(tài),。
首先定義類BusProtocol ，它提供了一個片上總線的基本協(xié)議通道并處理改變狀態(tài)的請求,。BusProtocol 在state 成員變量中保持一個BusState 類的實(shí)例,。類BusState 復(fù)制了BusProtocol的狀態(tài)改變接口。每一個BusState 操作都以一個BusProtocol 實(shí)例作為一個參數(shù),， 從而讓BusState 可以訪問BusProtocol 中的數(shù)據(jù)和改變總線的狀態(tài),。BusProtocol 將所有與狀態(tài)相關(guān)的請求委托給它的BusState 實(shí)例state。BusProtocol 還提供了一個操作用于將這個變量設(shè)為一個新的BusState,。BusProtocol 的構(gòu)造器將該狀態(tài)對象初始化為BusIdle 狀態(tài),。
(2) 層適配模式
層適配模式為SoC通信建模提供分層的協(xié)議轉(zhuǎn)換,，將不同架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過接口的匹配，實(shí)現(xiàn)各層次的數(shù)據(jù)通信,，提供事務(wù)級建模各層的適配方式,。系統(tǒng)建模中通信機(jī)制可以分為4 層，其中事務(wù)級建模分為3 層,，即除L0 之上的3 層為事務(wù)級,。其中：L3 為消息層，這一層沒有任何的時間信息,，系統(tǒng)行為是事件驅(qū)動的,，并建立點(diǎn)到點(diǎn)的通信. L2 為事務(wù)層，這一層的系統(tǒng)模型帶有時間信息,，但并不是時鐘精確周期,，系統(tǒng)是時間驅(qū)動執(zhí)行的。
事務(wù)層將理想的結(jié)構(gòu)映射到需要考慮資源分配和設(shè)計(jì)約束的結(jié)構(gòu)中,，完成SoC體系結(jié)構(gòu)的分析和建模,，并開始軟件的開發(fā)。L1為傳輸層,，它在RTL層之上,，系統(tǒng)由精確到周期的行為組成，但比RTL 級的仿真速度要快,。傳輸層建模一般對應(yīng)一定的總線協(xié)議,，將精確到周期的協(xié)議映射到給定的硬件接口和總線結(jié)構(gòu)上，隱藏了接口的管腳,，將事務(wù)直接映射到總線周期,。層適配模式將通過適配完成各層次的模型轉(zhuǎn)換。如圖3 所示,，TL1 Master Adapter通過適配TL1通道和TL2 通道,，使TL1 Master 和TL2 Slave 通信。
圖3 層適配模式結(jié)構(gòu)
(3) 包裝器模式
包裝器模式的目的是通過調(diào)整接口和IP 組件的行為來適應(yīng)特定的應(yīng)用環(huán)境,，它屬于結(jié)構(gòu)型模式.在SoC設(shè)計(jì)中,，功能組裝正在逐漸代替功能設(shè)計(jì)，而成為主流的設(shè)計(jì)方法,。因此,，各個IP模塊的互連，以及與片上總線的通信成為研究的重點(diǎn),。IP的本質(zhì)特征是可重用性，通常必然滿足以下基本特征:通用性好,，正確性有保證,，可移植性好,。因?yàn)樵S多IP在設(shè)計(jì)之初都是針對特定的應(yīng)用，而很少考慮到要與外來電路搭配使用,。IP的定義沒有一個通用的接口標(biāo)準(zhǔn),，因?yàn)樾酒瑢?shí)現(xiàn)的功能千差萬別，性能方面的要求也由于應(yīng)用領(lǐng)域的差異而不同,，即使同樣功能的IP模塊在速度,、面積、功耗,、對外接口等方面也表現(xiàn)各異包裝器模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示,。
圖4 包裝器模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
通過包裝器模式的封裝，能適配各種IP 接口,。即使用包裝器模式來調(diào)整組件接口以適應(yīng)于環(huán)境要求,。包裝器模式的匹配程度，對IP Component 的接口與其他的接口進(jìn)行匹配的工作量各個WrapperModel 可能不一樣,。從簡單的接口轉(zhuǎn)換(例如改變操作名) 到支持完全不同的操作集合,，WrapperModel 的工作量取決于Component 接口與需要轉(zhuǎn)
換接口的相似程度。
結(jié)束語
在SoC設(shè)計(jì)中,，可重用性是應(yīng)該考慮的一個很重要的因素. 除了IP復(fù)用,，設(shè)計(jì)的可重用也是非常重用的。在討論將現(xiàn)有軟件設(shè)計(jì)模式應(yīng)用到SoC設(shè)計(jì)當(dāng)中后,，提出了SoC設(shè)計(jì)模式,，主要針對高層次的SoC設(shè)計(jì)中的最常用的一些設(shè)計(jì)方法，以及構(gòu)筑SoC系統(tǒng)的基本組件和基本結(jié)構(gòu),。除了上述的3 種模式,，還提出的一系列的SoC設(shè)計(jì)模式中，總線模式屬于體系結(jié)構(gòu)的模式,，包裝器模式和層適配模式屬于結(jié)構(gòu)型模式,，總線協(xié)議模式、管道模式和FSM模式屬于行為型模式,。下一步的工作是深入研究系統(tǒng)級設(shè)計(jì)方法,，以及基于UML的軟件設(shè)計(jì)模式描述如何自動地轉(zhuǎn)換為元(meta) 程序。