SOC设计流程及其集成开发环境

基于可编程片上系统（SoPC）的设计流程

基于可编程片上系统（SOPC）的芯片级电子系统设计主要有两大支撑点：可编程片上系统器件所能提供的片上资源和可复用IP核库所能提供的IP核资源。其中可编程片上系统器件所能提供的片上资源是由集成电路工艺技术发展决定的，对于系统设计者来讲，应根据设计要求尽量选择合适的器件；可复用TP核库所能提供的IP核资源需要通过系统设计者自行建设。在基于SOC的电子系统设计中，针对各类专门技术、专门应用、专门工具、专门生产工艺、专门产品的IP资源库的建设和共享已形成一种规范，贯穿在系统设计的全过程。图1为典型的基于IP核库的片上系统（SOC）设计流程：

从图1可以看出，在基于可编程上系统（SOPC）的嵌入式系统设计流程中，除了需要强有力的EDA设计工具支持外，离开充分的资源库的支持，可以说是寸步难行，并且必将失去竞争力。从总体上讲，各个层次的IP库和EDA工具是芯片级电子系统设计者必备的两翼，可选的IP核库资源是一种设计者能力的表征。图2为芯片级电子系统设计中自顶向下设计方法的流程中所依赖的库支持说明。

在图1的片上系统（SOC）设计流程中，除了需要强有力的IP核库和EDA工具支持外，与传统的专用集成电路（ASIC）设计流程最明显的区别就是——软硬件协同设计，图3给出软硬件协同设计的一般流程。

在软硬件协同设计的过程中，传统的硬件描述语言（VHDL、Verilog HDL）和软件设计语言（C/C++）是无法适应软硬件协同设计这一种新的设计方法上的突破，为此必须使用新的系统级描述语言——S 3.基于可编程片上系统（SOPC）的集成设计环境片上系统（SOC）设计所需要的EDA工具，若从硬件设计角度看，在设计流程的前端与ASIC设计差别不大。但是，从整个芯片设计角度出发，这两种类型的芯片设计区别较大。这是因为，在SOC设计中，一般都含有微处理器，所设计的系统级芯片都必须有设备驱动程序与操作系统或嵌入式实时操作系统接口，必须有应用程序完成数字计算、信号处理变换、控制决策等功能。因此，在设计的前期需要进行软硬件协同设计，以便确定那些功能是由硬件完成的，那些功能是由软件完成的，并且进行适当划分。在设计的中后期，要进行软硬件协同验证，即把软硬件设计放到一个虚拟的集成环境中进行仿真验证，以便验证硬件的性能是否达到设计目标，软件功能是否实现设计要求。

根据可编程片上系统（SOPC）设计流程和软硬件协同设计的一般流程作者提出基于可编程片上系统（SOPC）的芯片级电子系统的集成设计环境如图所示此集成环境是一种典型的软硬协同设计集成环境（或平台）是由二个不同层次不同功能的EDA集成设计环境组成

第一层次的EDA集成设计环境是SOC系统级集成设计环境主要用于完成嵌入式系统的系统级设计首先需要根据客户的要求进行系统的功能定义和性能评估以便确定系统规格其次根据已经确定的系统规格应用系统级描述语言（C/C++或System C等）进行系统设计描述与设计验证以便确定所定义的系统规格在功能上是否可以实现再次在证明了系统规格在功能上可以实现后就需要进行系统软硬件功能划分以便确定系统的哪些功能是由软件系统完成的哪些功能是由硬件系统完成的哪些功能需要软硬件协同完成对于既可以通过软件系统完成也可以通过硬件系统完成的功能需要进行性能与成本的评估最后对已经确定的硬件系统功能还需要进行芯片与PCB功能的划分以便确定哪些功能可以在芯片上实现哪些功能只能在PCB上实现

第二层次的EDA集成设计环境是SOC硬件系统集成设计环境和SOC软件系统集成设计环境主要用于完成嵌入式系统的软硬系统设计首先根据系统级设计中的功能划分分别进行SOC的硬件系统设计和SOC的软件系统设计此时的硬件系统设计和软件系统的设计是并行进行的在硬件系统设计中通常经历几个设计阶段行为描述与验证（包括硬件系统的系统级算法级寄存器传输级的行为描述与仿真验证）逻辑综合与验证可测性设计综合与逻辑生成器件适配与仿真验证器件物理编程与物理验证版图生成与验证其中前个设计阶段是基于SOPC的硬件系统设计流程在软件系统设计中通常经历如下几个阶段软件系统编辑软件系统编译软件系统仿真调试软件系统编程等其次在软硬件系统设计过程中为了确保系统的性能价格比达到最优需要不断进行软硬件协同设计通常在硬件系统行为描述与仿真之后就可以把所设计的硬件系统与软件系统置于虚拟器件的软硬件协同仿真验证环境中以便验证硬件系统集成的系统所能达到的功能性能成本等从而使得所实现的芯片级电子系统的性能价格比达到最优

综上所述基于可编程片上系统（SOPC）的嵌入式系统集成设计环境是一个相当复杂的集成EDA开发环境常见的可编程片上系统集成化EDA开发套件——Altera公司的Quartus II系列的EDA工具套件和Xilinx公司的ISE.x系列的EDA工具套件的储存成化程度虽然较高但也难以达到图所示的集成化程度因此需要系统设计设计者根据现有的商用化EDA工具构建这样的集成设计环境有理由相信在不久的将来将会推出类似的集成EDA工具环境

片上系统（SOC）是嵌入式系统发展方向

嵌入式系统的核心部件是微处理器由于集成电路技术的发展以及电子产品及时面市的要求促使微处理器（包括微控制器数字信号处理器嵌入式处理器）向单芯片系统方向发展从而使得基于片上系统（SOC）的电子系统成为嵌入式系统的发展方向和主流目前国内的基于片上系统（SOC）的嵌入式系统设计大都停留在板级电子系统设计水平随着可编程片上系统（SOPC）器件的应用发展相信在今后的若干年内基于SOC的嵌入式系统设计会逐渐过渡到芯片级电子系统的设计水平由于芯片级电子系统设计方法与板级电子系统设计方法有着本质的区别因此了解与掌握芯片级电子系统的设计流程集成设计环境对于系统设计者来讲是至关重要的为此本文以图示方式直观地给出基于可编程片上系统（SOPC）的芯片级电子系统设计流程和集成设计环境全面展示了芯片级电子系统所涉及到的问题ystem C（或其他类似语言）才能完成

软硬件协同设计通常是从一个给定的系统任务开始的通过有效地分析系统任务和所需要的资源采用一系列的变换方法并且遵循特定的准则自动生成符合系统功能要求的符合实现代价约束的硬件和软件框架这种全新的软硬件协同设计思想需要解决许多问题系统级建模系统级描述语言软硬件划分性能评估协调综合协同仿真和协同、验证。