一種開源軟核OR1200的系統(tǒng)級描述方法研究※

吳瓊飛，張志強(qiáng)，朱勇

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楚天學(xué)院，信息工程學(xué)院，武漢430205；2.武漢紡織大學(xué)）

吳瓊飛（講師）、張志強(qiáng)（助教）、朱勇（教授），研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及應(yīng)用。

引 言

專用指令集處理器（ASIP）是一種具有處理器結(jié)構(gòu)的芯片，它具有可定制性，為某個或某一類型應(yīng)用而專門設(shè)計，能夠高效地解決嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中的實(shí)際問題，已在現(xiàn)今的片上系統(tǒng)（SoC）中得到了廣泛的應(yīng)用。但在系統(tǒng)定制ASIP處理器時往往受到芯片面積、上市時間（TTM）和功耗等非功能性的約束［1，4－5］，設(shè)計者必須要找到一款合適的處理器體系結(jié)構(gòu)，所以在設(shè)計的初期要針對特定應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計空間搜索（DSE），利用ADL對目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述并用硬件描述語言（HDL）來進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)設(shè)計方法是直接使用 HDL語言來進(jìn)行硬件設(shè)計［6，9］，從而導(dǎo)致設(shè)計周期相當(dāng)漫長。本文探討了一種基于SystemC體系結(jié)構(gòu)描述語言的系統(tǒng)級設(shè)計方法，對一款開源軟核OpenRISC1200（以下簡稱OR1200）進(jìn)行系統(tǒng)級建模，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級的綜合，由ADL描述通過相應(yīng)機(jī)制映射成RTL級的HDL描述，加快處理器的設(shè)計速度。

1 OR1200軟核剖析

1.1 OR1200CPU基本結(jié)構(gòu)

OR1200是OpenRISC系列RISC處理器內(nèi)核的一員，它是一種32位標(biāo)量RISC體系結(jié)構(gòu)［14］，具有哈佛結(jié)構(gòu)，帶有5級整數(shù)流水線。其執(zhí)行特征包括虛擬內(nèi)存支持和基本DSP功能，外部數(shù)據(jù)總線和地址總線接口符合Wishbone總線標(biāo)準(zhǔn)。OR1200CPU／DSP基本框圖如圖1所示。

圖1 OR1200CPU／DSP基本框圖

1.2 OR1200CPU 5級流水結(jié)構(gòu)分析

OR1200 5級流水是指IF取指、ID譯碼、EX執(zhí)行、MA存儲、WB回寫，這里將CPU分解成若干個模塊，每一級都對應(yīng)相應(yīng)的模塊，5級流水的OR1200CPU內(nèi)部模塊如圖2所示。

各級流水的功能分別如下：

圖2 5級流水的OR1200CPU內(nèi)部模塊

①IF（Instruction Fetch）取指級，按照PC的地址從存儲器中取出指令，PC指向下一條指令，取出的指令被送到下一條流水級ID。為了保證運(yùn)算能按時進(jìn)行，在這個時鐘周期需要提前提取操作數(shù)RA和RB寄存器的內(nèi)容，寄存器的地址rf＿addra／b和讀信號rf＿rda／b在本流水線級未被凍結(jié)時給出。

②ID（Instruction Decode）指令譯碼級，指令被ctrl模塊解碼成控制信號，所得到的這些信號被送到EX執(zhí)行級和其他流水級。指令在EX執(zhí)行級時需要用到來自rf（寄存器堆）的2個操作數(shù)，這2個操作數(shù)在ID級被送到算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU的a、b兩個端口，同時譯碼級還要把譯碼后得到的運(yùn)算操作信號OP傳遞給ALU。對于跳轉(zhuǎn)指令分為非條件跳轉(zhuǎn)和條件跳轉(zhuǎn)。如果譯碼器ctrl識別到非條件跳轉(zhuǎn)，會馬上通知IF級；如果識別到的是條件跳轉(zhuǎn)，就會根據(jù)標(biāo)志位判斷跳轉(zhuǎn)的結(jié)果，從而決定是否立即通知IF。另外，如果譯碼器識別到指令HALT，則會停止流水線。

③EX（Excution）執(zhí)行級，它主要通過ALU實(shí)現(xiàn)算術(shù)和邏輯運(yùn)算。

④ MA（Memory Access）存儲器訪問級，它使用Load／Store指令從存儲器裝載數(shù)據(jù)到寄存器堆或從寄存器堆存儲數(shù)據(jù)到存儲器，或者只是將EX級的運(yùn)算結(jié)果送到下一級WB回寫級中。

⑤ WB（Write Back）回寫級，主要是把數(shù)據(jù)寫回到寄存器堆rf中。

2 系統(tǒng)級描述方法研究

2.1 系統(tǒng)級設(shè)計方法

嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計［8，10］是一個由高抽象級到低抽象級的逐層實(shí)現(xiàn)過程，每一層都會涉及到描述、驗(yàn)證以及到下一層的轉(zhuǎn)換（綜合）問題。系統(tǒng)級包含硬件和軟件等多種實(shí)現(xiàn)，與RTL級相比處于更高的抽象層次，它能實(shí)現(xiàn)對微處理器、專用集成電路、可編程邏輯和存儲器等的高層次抽象。

針對傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足，本文提出了一種基于系統(tǒng)級描述語言SystemC的設(shè)計方法，基于SystemC的ASIP設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 基于SystemC的ASIP設(shè)計流程

首先針對一組特定應(yīng)用以及設(shè)計約束分析得到初始目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)［7，13］，然后對目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行SystemC描述，通過SystemC開發(fā)平臺自動生成相應(yīng)的軟件工具（包括編譯器、仿真器、連接器等）以及硬件RTL級HDL描述，之后分別從軟件和硬件兩個方面進(jìn)行評測，看是否符合設(shè)計約束要求。如果不符合設(shè)計約束要求，設(shè)計人員對目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)的SystemC描述進(jìn)行相應(yīng)的修改，最后通過開發(fā)平臺完成軟件工具和硬件描述的生成并對其進(jìn)行評測，直到滿足設(shè)計約束要求為止。

2.2 體系結(jié)構(gòu)描述語言SystemC

SystemC作為一種硬件描述語言，是由OSCI（Open SystemC Initiative）組織制定和維護(hù)的、開放源代碼的、基于C＋＋類庫的系統(tǒng)級建模平臺。它既是一種軟硬件協(xié)同設(shè)計語言，又是一種新的系統(tǒng)級建模語言，可以用來設(shè)計硬件模型和提供硬件模擬平臺。

在SystemC中，用來進(jìn)行設(shè)計描述的基本SystemC類是SC＿M(jìn)ODULE，它類似VHDL的實(shí)體ENTITY或者Verilog的模塊MODULE。在SC＿M(jìn)ODULE中可以定義輸入引腳、輸出引腳、內(nèi)部信號等資源，同時也可以實(shí)例化另外一個SystemC MODULE，對于設(shè)計的行為可以使用方法SC＿M(jìn)ETHOD或者SC＿THREAD進(jìn)行描述。SC＿M(jìn)ETHOD或SC＿THREAD在SC＿M(jìn)ODULE內(nèi)的構(gòu)造函數(shù)中進(jìn)行聲明，并且可以指定相應(yīng)的敏感信號列表SENSITIVE，隨著敏感列表上輸入信號的變化從而產(chǎn)生相應(yīng)的方法。SystemC能在內(nèi)核的基礎(chǔ)上建立信號、FIFO等，它結(jié)合了高級語言和硬件描述語言這兩者的特點(diǎn)［2－3］，系統(tǒng)抽象能力強(qiáng)，并能對硬件設(shè)計中的信號同步、時間延遲、狀態(tài)轉(zhuǎn)換等物理信息進(jìn)行描述，所以SystemC可以很好地應(yīng)用于ASIP系統(tǒng)級設(shè)計中。

2.3 OR1200CPU系統(tǒng)級SystemC描述

在系統(tǒng)級對ASIP處理器進(jìn)行設(shè)計，ADL是整個設(shè)計的核心。利用SystemC在系統(tǒng)級對OR1200CPU內(nèi)部模塊進(jìn)行描述，并通過一款可集成開發(fā)軟件Agility Compiler實(shí)現(xiàn)SystemC的綜合，加快了硬件設(shè)計的實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)的過程中，目前只用到了if（取指令）、getpc（程序計數(shù)器）、ctrl（控制譯碼器）、rf（通用寄存器文件）、opmux（操作數(shù)多路復(fù)用器）、alu（算術(shù)邏輯單元）、lsu（load／store單元）和wbmux（寫回）這8個模塊。下面的例子是使用SystemC對OR1200CPU部分模塊進(jìn)行系統(tǒng)級描述的部分代碼實(shí)現(xiàn)：

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

采用一種將新的高效測試方式與傳統(tǒng)的系統(tǒng)測試方式相結(jié)合的手段，利用嵌入式邏輯分析儀進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)計人員將它連同目標(biāo)文件一起下載到目標(biāo)器件的芯片中（這里是EP2C70F896），以此來獲得目標(biāo)器件芯片內(nèi)部信號節(jié)點(diǎn)處的相應(yīng)信息，同時硬件系統(tǒng)還能正常工作，這就是QuartusII中SignalTapII的目的。在實(shí)際檢測過程中，SignalTapII［14］將采集到的樣本信號臨時存入到目標(biāo)器件的RAM中，然后通過目標(biāo)器件的JTAG口將采樣信息傳入到計算機(jī)中顯示，最后進(jìn)行分析。SignalTapII能夠?qū)Ρ粶y試系統(tǒng)模塊內(nèi)部的信號節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣，并且它是由多時鐘驅(qū)動的，能通過設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)來顯示前后觸發(fā)捕捉信號節(jié)點(diǎn)信息的比例，便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)然在驗(yàn)證系統(tǒng)之前，要設(shè)計好指令Testbench，本文根據(jù)OpenRISC ORBIS32指令集用匯編語言設(shè)計了3類指令Testbench：無沖突的指令Testbench、有沖突的指令Testbench和有跳轉(zhuǎn)的指令Testbench。為了測試?yán)肧ystemC設(shè)計后的OR1200CPU是否能正常工作，事先設(shè)計好測試指令的相應(yīng)編碼mif文件，利用Altera Quartus II自帶的SignalTap II工具仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果略——編者注。

結(jié) 語

本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種對ASIP進(jìn)行系統(tǒng)級高層綜合的方法，以一款開源軟核OR1200為實(shí)例，ADL體系結(jié)構(gòu)描述語言SystemC為核心，通過Agility Compiler編譯器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級綜合。實(shí)踐證明，這種基于體系結(jié)構(gòu)描述語言SystemC的系統(tǒng)級設(shè)計方法是可行的。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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