基于IP 核技術的SoC 設計

韓 煜，李洪海

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 概 述

隨著集成電路(Integrated Circuit，IC)設計技術和工藝水平進入超深亞微米，集成電路規模越來越大，芯片設計規模和設計復雜度也急劇提高，工藝流程呈現專業化，EDA 設計逐步發展和完善。九十年代出現了SoC 芯片，即可以在一個芯片上集成CPU、DSP、邏輯電路、模擬電路、射頻電路、存儲器和其它電路模塊以及嵌入軟件等，并相互連接構成完整的系統。

IP 有軟核(soft IP)和硬核(hard IP)兩種類型。前者以可綜合的硬件描述語言(HDL)代碼的形式交付;后者則用制定的工藝進行了功耗、面積或者性能的優化，以GDSII 格式交付。軟IP 在配置后可針對多種硅工藝，易于被SoC 開發環境采納，靈活性極高，但是成本也高。況且，軟IP 不具備可預測性，每次使用后需要再次校驗。硬IP 則恰恰相反，不僅具有可預測性，而且每次使用后也無需校驗，可是大量預設的硬IP 設計參數限制了其靈活性。因此，融合軟IP的靈活性和硬IP的預測性無疑是支持基于IP核設計的最佳選擇。

成功地在SoC 開發中采用真正的IP 核結構，化解產品生產周期壓力，需要做到:

·硬化:迅速優化配置并使軟IP 硬化;

·建模:高度精確地為硬化的軟IP 自動建模;

·集成:將模型綜合到現有的SoC 設計流程中;

·驗證:IP 核是否符合設計者的想法。

2 IP 核的硬化

使軟IP 硬化成為IP 核的過程就是在標準規定的速度、功率和范圍內以目標工藝實現IP。該實現必須能夠提供準確的建模、自動化方法、工藝易于移植，以及具有基于業界標準的電子設計自動化(EDA)工具。硬化過程首先需要IP 供應商提供高質量RTL(寄存器傳輸級)描述，并且提供一套完整的GDSII 設計實現方案。

鑒于軟IP 核固有的可配置性，必須對之予以妥善管理，為被授權者提供方便的目標應用IP 核配置。由于IP 核的實現是與整個芯片相對應的，因此必須充分考慮實現IP 核硬化的方式及其擺放位置。

3 IP 核的建模

典型的SoC 設計流程包括:功能模型、時序模型、測試模型、物理模型和功率模型。除了功能模型，其它模型都必須在一個物理執行的核里構建。功能模型可由RTL 或物理執行設計構建。

3.1 功能模型

功能模型必須在IP 核硬化前向最終用戶提供，必須代表系統仿真中的IP 核周期特征，并且必須能夠在門級仿真中支持精確到比特的RTL 仿真和時序注釋。此外，功能模型還應消除仿真器特殊結構和接口，在仿真環境中便于移植。

由于模型構建過程實際上是C/HDL 設計的二進制目標模型，因此只需極少的額外工程設計。由于最終用戶設計環境的不可測性，因此所有通過使用編譯器構建的模型必須可以在仿真器、各種語言、硬件平臺和操作系統上充分移植。采用PLI 和SWIFT 接口后，這些模型可在編譯器和非平臺環境下移植。當今大多數商業仿真器都支持SWIFT 接口，并提供有效的基于PLI的接口。

編譯模型不僅獨立于編譯器和平臺，還應支持SoC 設計過程中任何時段的使用。為優化仿真性能，在不同的設計時段里構建模型的能力就十分重要。

該模型的功能性和時序分開，因此只要提供正確的級別時序信息，就能在各種設計的抽象級別使用。

3.2 時序模型

時序模型具備所有的時序特點，在邏輯綜合、物理綜合、測試綜合、靜態時序分析、時間驅動地點和路線等設計步驟中得到采用，可能是軟IP 核硬化在SoC 設計流程中應用最廣泛的模型。因此，時序模型的準確性就變得尤為重要，必須達到以下要求:

(1)黑匣子:不得顯示IP 核的執行細節;

(2)獨立性:時序模型必須獨立，并支持SoC 環境條件的變化;

(3)準確性:時序模型必須在錄制磁帶前為SoC提供完整的信號模型;

(4)業界標準:鑒于時序模型在系統設計過程中的大量應用，因此必須采用業界標準的EDA 工具。

3.3 測試模型

IEEE 規定了一個IP 核測試語言(CTL)，定義了嵌入式IP 核和SoC的測試接口。該語言通過IP核訪問以及隔離機理推動了嵌入式IP 核的再利用，為SoC 互聯和邏輯提供了可測試性。此外，該語言支持即插即用協議的IP 核測試互用性。CTL 支持多種測試方式，如Scan(掃描)和BIST(內建目測試)等，并且不支配IP 核自身使用的測試方法。

構建測試IP 核的程序包括:①對IP 核進行測試包裝;②在包裝后的內核上執行多模型DRC(設計規則檢測);③為包裝后的IP 核內指明CTL種類;④為包裝后的IP 核構建測試模型。

成功包裝IP 核以后，一個CTL 包裝IP 核即構建成功。該CTL 將IP 核包裝為完全符合業界標準(IEEE P 1500)的基于ASCII的模型。因此，該模型可在支持P 1500的所有EDA 工具中移植。

3.4 物理模型

物理模型是IP 核具體物理實現的抽象，必須包含足夠的信息滿足以下IP 核系統設計實現的需要:平面布置;置換(包括物理合成);具體線路安排。

該模型必須準確表述:

·元件占用面積:IP 核本身的面積，長寬比和來源;

·接口引腳/端口數量:每個IP 核I/0 端口的名稱、尺寸、形狀、位置、連接層和相應引腳的數量;

·線路障礙:IP 核上線路障礙的面積、形狀和影響層面等;

·電源和接地:每個電源連接的名稱、面積、形狀、位置和接線層;

·SI 作用:每個IP 核的I/O 端口提供有關高級別天線的計算。采用二極管或層面變化時，可在IP核慎重處理這些作用;

·信令/標志:獨特的識別信號不僅提供IP 核，還可修訂和配置IP 核。

3.5 功率模型

功率模型描述了IP 核功耗，必須忠實反映:

·靜態和動態功耗;

·I/O 端口和內部節點的開關狀態;

·I/O 端口和內部節點的狀態;

·運行方式(如測試方式);

·運行、電壓和溫度等條件以及電容負載和輸入瞬變時間。

4 IP 核的集成

選擇IP 核時首要考慮的因素是IP 與目標系統的配合程度。對于已有的IP 核，優先選擇芯片面積最小、運行速度最快、功率消耗最低、工藝容差最大的IP 核。一般說來，在進行集成之前，最好選擇那些無需修改的IP 模塊。但大多數情況是設計人員在獲得IP 模塊后必須進行修改，修改的范圍包括各個設計層次上的IP 模型。為了使開發的IP 核能夠高效地集成到新的設計中去，設計復用(Design Reuse)和標準化是必由之路。在IP 集成之前，必須先解決下面幾個重要問題:

第一，在系統結構設計和模塊劃分時，必須考慮好系統芯片采用什么樣的片上總線結構，確定哪些模塊來自于IP 庫，哪些模塊需要購買IP，IP 模塊的對接需要增加哪些連接性設計。

第二，模塊間的接口協議要盡可能簡單，模塊間的接口定義盡可能與國際上通用的接口協議一致。這雖然會造成芯片在時序、面積、功耗等方面的損耗，但對于加快系統芯片的上市速度很有利。

第三，要注意積累集成的經驗。一旦成功地集成了一個IP 到一個系統設計，就應該進一步完善該IP;同時，把集成該IP的經驗教訓及時記錄下來形成技術文檔，這將對下一個IP 集成十分有利。

第四，必須在時鐘分布，關鍵路徑的走線，電源、地線的走線，模塊支持的測試結構等方面考慮與系統芯片保持一致。

5 IP 核的驗證

IP 核驗證技術和方法可按照表1 所示的體系進行分類，其中將驗證分為四大塊。

表1 功能驗證分類

5.1 目的性驗證

目的是驗證設計者所預想的功能是否在設計中得到正確實現。通常，目的性驗證在最高抽象層次上完成。其最終結果是建立一個所謂的“黃金模型”，該模型可以作為整個設計過程中各種更加詳細的設計視圖的參考基準。

5.2 等效性驗證

目的是驗證在設計過程中生成的不同 層次的設計功能是否與“黃金模型”功能相一致。

5.3 IP 驗證

指對單個lP的功能進行驗證的過程，即單元測試。

5.4 集成驗證(SoC 驗證)

指對包含一個或多個IP的SoC 進行功能驗證的過程，即SoC的系統級驗證。以上每項驗證任務所使用的技術和工具之間存在很大的重疊。雖然IP的驗證和SoC的驗證過程相同或者相似，但是驗證測試組件的模型和源代碼集則可能不同。對IP驗證，關鍵是驗證IP 內部邏輯的詳盡功能以確保IP的正確實現。而SoC 驗證則是把重點放在I P的連接和相互作用上，驗證所用模型應能精確地仿效IP接口，而對IP的內部功能只需能夠近似地塑造即可。

6 結束語

SoC 設計方法已經成為了IC 設計的主流。SoC可以充分利用已有的設計積累，顯著地提高ASIC的設計能力，縮短設計周期，縮小設計能力與IC 工藝能力的差距，而SoC 設計技術的關鍵是IP 及其復用技術，如何利用經過驗證的IP，成功地把IP 集成到SoC 系統中，是限制設計能力的瓶頸問題。

［1］Keating M，Bricaud P.Reuse Me thodology Manual for Systerm－on－a－Chip Designs［M］.Third Edition.New York.Klu wer Academic Publishers，2002.

［2］銀燕，湯幟.數字版權保護技術研究綜述［J］.計算機學報，2005，28(12):1957－1968.

［3］Garnett N.Digital rights management，copyright，and napster［J］.ACMSIGecom Exchanges，2001，2(2):1－5.