SOC软硬件协同设计流程

SOC软硬件协同设计流程

传统芯片的设计都是专注于某个特定功能模块的设计，比如CPU、存储器、I/O接口等，即使是这样的一些芯片在以往的设计中己经是很复杂的问题了，需要很多高级设计人员花费大量的时间和精力，然而soc要完成的功能通常包括了多个传统芯片的功能，甚至还要复杂，因此设计片上系统soc是一个极为复杂的问题，一方面要满足复杂的功能和较高的性能，另一方面又要尽可能降低系统开发的成本，缩短产品问世周期，这给设计和开发soc带来了挑战。

对于如此复杂的soc，如果芯片的每个部分都重新设计，那么其工作量之巨大是可想而知的，因此片上系统soc一般采用基于核的设计，软件部分采用构件重用，硬件部分采用IP核重用，即将一个系统按功能划分成若干个模块，然后直接利用设计好的软件构件和IP核搭建一个具有特定功能的芯片。

soc的设计重用使系统设计者可以更多地考虑系统结构，而不必深陷于模块实现，从而达到降低系统设计复杂性的目的。但是IP核和软件构件重用决不等同于集成电路设计中的单元库的使用，不是一些IP核和软件构件的简单堆砌，还包含着很多有待解决的问题，如软硬件划分、验证、测试等，这也给soc设计方法学带来了巨大的挑战。

软硬件协同设计的目的就是找到一种最优化的软硬件比例结构以实现系统规范，同时满足系统速度、面积、功耗、灵活性等要求。

软硬件协同设计是一种自顶向下、自底向上的设计方法。具体流程如图1-4所示，在系统行为描述阶段，系统将被以最直接的方式描述出来。此时不涉及任何有关系统如何实现的问题，指描述系统外在的行为表现，更不涉及哪些是硬件、哪些是软件。在这个阶段，需要对整个系统的行为进行验证，以期在设计的开始阶段就发现系统行为要求中的错误。

之后，要对系统行为描述进行功能划分。将系统划分为互连的模块，每个模块都执行功能相对独立的特定行为，并确定模块的互连关系和接口标准，完成系统的结构模型描述。同样在完成系统的结构描述后，也需要进行验证，以确认结构描述与行为描述的一致。

软硬件划分在结构描述完成后进行，以确定各个部分由软件或硬件实现。更重要的是，在进行完软硬件划分后，要对系统的性能、灵活性等参数进行预测，以评估软硬件划分，甚至功能划分的合理性。如果划分不合理，就需要重新进行软硬件划分或功能划分，再进行评估。如此反复，直至获得最优的解决方案。

在完成软硬件划分之后，就可以对各个模块进行细化、综合(Synthesis)，直至虚拟器件原型(包括软件)。在整个细化过程中，应多次进行软硬件的协同验证(∞—Verification)，以及时发现细化中的错误。

在到达器件原型级后，需要对各硬件原型进行映射(mapping)，完成最终的实现。对已经由厂商提供IP的器件，可直接进行例化；对自己设计的器件，还要进一步进行综合、布图等工作。值得注意的是有些厂商提供较高层次的IP，这样，在较高的层次上就可以用IP替代原型。

在整个设计完毕之前还要对设计进行底层的软硬件协同验证和仿真。最终确认设计是否满足功能要求和条件约束。如果需要，还应对系统的性能、灵活性再次进行评估，以确定前面的先验估计是否准确。如果后验评估与先验评估相差太大，可能还需要重新进行结构划分和软硬件划分。

图1-4 SOC软硬件协同设计流程

与传统方法不同，此Soc软硬件协同设计流程具有以下特点：
        充分考虑到片上系统Soc的可重用设计特点，建立了一个IP核和软件构件库，将可重用设计思想融入Soc的软硬件协同划分、物硬件协同验证、系统开发实现和测试阶段;
        允许系统在开发实现以前评价和验证设计结构的功能要求和各项性能指标，避免了因系 统设计不当而导致的错误，达到了尽早纠错、排错的目的;
        充分体现了基于soc技术开发的特点，明确了设计开发过程中各个阶段的任务和目的，有效地缩短了产品设计开发周期，增加了产品的市场竞争能力，适应当前嵌入式电子产 品的要求，易于实现，对soc的设计实践有指导意义。
软硬件协同设计的复杂度是相当之高的。因此，设计的重用(reuse)就显得尤为重要。软硬件协同设计的模块化特性为重用的实现创造了良好的条件。在任意一个层次上，目标模块都可以由一个已经实现的具有知识产权的模块(称为IP核)代替。由于重用可以从任意一层开始，这对产品的升级和改型是极为有利的。
虚拟元件的制造商所提供的虚元件描述通常也是多层次的。从行为描述，到结构描述，甚至到版图描述。这为软硬件协同设计提供了很大的便利，同时它也是缩短面市周期的一个重要因素。