SOC设计中的核心技术

二、 软硬件协同设计

软硬件协同设计技术和传统的IC设计流程有着比较大的差别。在这个设计过程中，软件和硬件必须自始至终都是交互状态，硬件为软件提供设计平台，反过来，软件也为硬件提供了设计平台，它们相互作用，实现交互设计。传统的IC设计方法采用硬件先行的方法，即先设计硬件，再根据算法设计软件。在深亚微米设计中，硬件的费用非常大，当设计完成后，再来更改设计中发现的错误需要花费大量的费用和时间。所以在SOC设计中，为了缩短开发周期，且获得更好的设计效果，要求使用软硬件协同设计技术。软硬件协同的方法可以使软件设计者在硬件完成之前接触到硬件模块，从而更好地设计硬件的驱动、应用程序、操作系统等软件，同时可以使硬件设计者尽早接触软件，为软件设计者提供高性能的硬件平台，减少了设计中的盲目性，如图4。



SoC的设计技术也可以称为基于平台的设计技术

(PlatformBasedDesign，简称PBD)，该设计技术包涵两个内容，即平台的建立和平台的应用，这两部分也就是SoC设计的核心，前者是可重用IP核的设计，后者便是软硬件协同设计。软硬件协同设计技术主要是上述平台的应用，其设计流程如图5所示，该设计流程与传统的IC设计和板级系统设计有着本质的区别，因此该方法的重点是在顶层完成系统仿真验证，保证在最低层模块设计之前整个系统的所有功能都已完成并经过验证，与传统的设计方法的显著区别便是原来的顺序式设计变为现在的并行式设计，所有的设计问题都要在设计之初考虑到并提出相应的解决方案，在真正子模块设计之前，所有的设计工作都是基于虚拟模块完成的，这也是SoC设计的另一个显著特点。



1．行为描述就是把系统分成多个功能块，由这几个模块完成系统所要求的功能；结构描述主要是把已有的IP核或者自行设计的IP核描述成模块，使之与功能模块相匹配，通过不断的系统仿真从而确定与系统行为描述相匹配的系统结构描述。这主要涉及到系统描述（行为描述和结构描述）的规范性。为了便于系统性能仿真，系统描述必须是规范的，这样才能解决描述不匹配的问题，才能使性能仿真人员快速进行仿真，从而节省系统描述到性能仿真的过渡时间。

2．软硬件划分是软硬件协同设计的关键技术。软硬件划分是指在设计系统时，确定各个模块是采取软件还是硬件的实现方式。软件实现的特点：灵活、成本低；而硬件实现的特点：性能高，但同时成本也增高。如何兼顾系统的速度和成本，达到成本和性能的最佳结合，是软硬件划分所要解决的问题。应遵循的基本原则是高速、低功耗由硬件实现；多品种、小批量由软件对应；处理器和专用硬件并用以提高处理速度和降低功耗。划分的方法应该从两方面着手：面向软件：从软件到硬件满足时序要求；面向硬件：从硬件到软件降低成本。

3．软硬件并行综合与IC设计综合相比，增加了许多约束和限制，其中最大的问题就是SoC与众多IP核之间接口的综合。软硬件并行仿真就是用软件控制硬件的仿真，在系统级芯片上，硬件和软件之间密切相关，但在系统做出之前，软硬件之间的相互作用通常很难精确测出，一些设计错误也不会明显表示出来。为了解决这个问题，必须采用软硬件协同验证技术。软硬件的协同仿真始终是设计中的关键，需利用相应的EDA工具采取先进的协同仿真技术，才能达到协同仿真的目的。

软硬件协同设计与传统的单流程设计有着本质的区别，其软件和硬件的设计不再是两个独立的设计单元，在设计之初便相互交织在一起，相互提供设计平台，相互作用，真正实现二者的并行性。不管是整体设计还是局部设计，并行的思想始终贯穿于设计之中，这也是软硬件协同设计技术的核心。协同设计流程中目前解决较好的是算法级和系统级的行为描述及模拟，难点在于软硬件划分。在硬件流程中，高级层次的行为描述与RTL级之间的接口，尚待完善。

与此同时EDA环境也将不断进步，以适应SOC开发的需要，一些新兴的EDA公司还提供出了重点发展C++语言、标准单元库和网上设计服务等新的发展策略，并且开发基于C++语言的硬件描述工具，采用C++为设计语言，不但运行速度比HDL快2"3个数量级，而且可为IP供应商提供知识产权保护，这些又为SOC技术的发展注入了新的活力。

三、结论与展望

本文作者创新点：目前的SOC的主要研究方法是将现有的器件和电路模块进行集成化，将来会根据系统集成的特点，将传感器、执行器嵌入系统之中，这样SOC将不断走向高性能、高功能，在模块融合的基础上产生新的结构，以便产生高附加价值。

SOC设计的热点将集中在两个方面：一个是采用硬件/ 软件协调设计的高抽象度设计与验证体系；另一方面是与深亚微米对应的CAD体系；前者帮助我们克服复杂性的危机，后者为进入微细化时代解决好功耗、布线延迟、可靠性等物理量的挑战所必须。这些设计工具与设计人员的创造力结合，将会不断地推进系统LSI（大规模集成电路）的进步，满足社会发展的需要。