SOC设计中的核心技术

集成电路制作工艺进入深亚微米之后，IC设计能力滞后于工艺水平日甚，势必要提出新的设计思想和设计方法，SOC (System On a Chip)为缓解设计滞后问题提供了一个有效途径，SoC设计中集成了复杂的IP(intellectualproperty)模块和嵌入式软件，受到普遍的重视和认可。作为SOC技术的核心，可复用的1P核(IntellectualProperty)和软硬件协同设计，得到已有的一些EDA公司和IC公司的重视，通过IP(IntelligentProperty)复用的方法可以有效地提高设计效率、降低市场风险、减少研发费用，缩短研发周期；软硬件协同设计(software/hardware co-design)技术允许在设计早期进行软件和硬件的协同测试，及早地发现设计的问题从而能够缩短上市时间，因此成为当前研究的热点。

一、IP核复用技术

SOC的设计过程中最具特色的是IP复用技术，即选择所需功能的IP（给出IP定义）核集成到一个芯片中用。成功的IP复用并不仅仅是简单的错误修补过程，通常需要经过多次实验、纠错才能成功地将IP核集成到SoC中。基于IP核复用技术的SoC设计使芯片设计不再是门级的设计，而是可重用IP核为基础的系统级设计，这主要关心的是IP核间的互连性，通常采用片上总线结构来解决IP核之间的互连性，即核与核之间并非直接相连而是通过片上总线进行互连，IP核之间通过网络结构来实现数据的传输（如图1）。



IP核集成到系统所要考虑的问题包括：同步，例如全局执行、数据交换和协议方面的同步操作；协议转换，不同模块间不兼容的协议的转换，封装可用来解决这个问题，但需要考虑时序约束；I/O缓存，为满足系统行为和时序约束可能需要缓存数据。由于IP核的设计千差万别，IP核的连接就成为构造SoC的关键。为解决这些问题需要一个好的接口标准，目前一些大公司已经开发出许多可用于核互联的片上总线，比如Altera 的Avalon、IBM 的Coreconnect、 ARM 的AMBA、OCP-IP提出的OCP 及Silicore的WishBone等等。

AMBA总线是一个多总线系统。它独立于处理器和制造工艺技术，增强了各种应用中的外设和系统宏单元的可重用性。典型的基于AMBA的SOC核心部分如图2所示。其中高性能系统总线（AHB或ASB）主要用以满足CPU和存储器之间的带宽要求。CPU、片内存储器和DMA设备等高速设备连接在其上，而系统的大部分低速外部设备则连接在低带宽总线APB上。系统总线和外设总线之间用一个桥接器（AHB/ASB—APB－Bridge）进行连接。



AMBA的AHB适用于高性能和高时钟频率的系统模块。它作为高性能系统的骨干总线，主要用于连接高性能和高吞吐量设备之间的连接，如CPU、片上存储器、DMA设备和DSP 或其它协处理器等。AMBA 的ASB适用于高性能的系统模块。在不必要适用AHB的高速特性的场合，可选择ASB作为系统总线。其主要特性与AHB类似，主要不同点是它读数据和写数据采用同一条双向数据总线。AMBA 的APB适用于低功耗的外部设备，它已经过优化，以减少功耗和对外设接口的复杂度，可连接在两种系统总线上。

OCP是基于核的免费开放的接口协议，是一个已经通用的标准接插口，可以从OCP-IP（www.ocpip.org）得到。这个标准成熟且可移植，同时得到了OCP-IP组织100多个成员公司的认可。

OCP协议使IP核与系统的接口与IP核的功能无关，设计人员不需要了解核内部也可以利用它进行系统主设计。OCP接口允许设计者根据不同的IP核的通信要求进行配置和扩展，包括接口的数据宽度、交换的握手协议等，在SoC设计中可以裁剪核的功能，降低设计复杂性，减小面积，同时满足SoC的要求；OCP接口还保持核在集成到系统的过程中自身完全不被改变，即在总线宽度、总线频率或电气负载有变化时保持不变。其工作原理如图3所示。



OCP能够实现硬件集成真正的即插即用，允许系统集成根据需要选择最好的IP核和互联机制。OCP为IP核设计提供了解决可配置性和接口的较好办法，实现了IP核与系统集成的Socket接口，能够做到核的模块化和即插即用特性。

片上总线还处于发展阶段，一般都具有以下特点：

1、总线应尽可能简单，以便于使用者学习和接受；首先结构简单，这样可以占用较少的逻辑单元；其次时序简单，以利于提高总线的速度；第三接口简单，如此可减少与IP 核连接的复杂度。

2、有较大的灵活性，支持多个主单元，各主单元可以同时与相应的从单元进行数据交换，从而提高数据吞吐量。支持可变宽度的地址和数据线，一般的片上总线支持32"128位的数据宽度，并且这些地址和数据线的宽度都是可以改变的。

3、为了降低功耗，各种信号一般都尽可能保持不变，并且多采用单向信号线。这同时有利于结构的简化及时钟的同步。

IP复用技术的优点有：一是重复利用IP可以提高设计能力，节省设计人员，是填平集成电路的设计与制造之间鸿沟的最有效方法之一；二是充分利用IP技术，减少产品设计复杂性和开发成本，缩短产品开发的时间；三可以有效地降低系统功耗，简化系统加工的复杂性，加快了数据传输和处理的速度，内嵌的线路可以减少甚至避免电路板信号传送时所造成的系统信号串扰。