数字集成电路论文ESL方法学的SOC设计与验证技术综述

数字集成电路论文题目：ESL方法学的SOC设计与验证技术综述系名称：信息工程专业：电子科学与技术班级：一班学号：姓名：年月日本文讨论电子系统级(ESL)设计和验证方法学在系统级芯片(SoC)设计中的应用。

ESL 设计是能够让SoC 设计工程师以紧密耦合方式开发、优化和验证复杂系统架构和嵌入式软件的一套方法学，它还提供下游寄存器传输级(RTL)实现的验证基础。

已有许多世界领先的系统和半导体公司采用ESL 设计。

他们利用ESL 开发具有丰富软件的多处理器器件，这些器件为创新终端产品获得成功提供必需的先进功能性和高性能。

为什么中国的电子产业将会对ESL 感兴趣？因为中国领先的电子公司正在经历一场对他们竞争力非常关键的转型。

通过采纳技术创新策略，中国将成为纯粹的知识产权(IP)提供者，而不是纯粹的IP 消费者。

那些拥有知识产权的公司将持有通向IP 库的钥匙。

为成功地执行创新策略，中国公司必须采用创新领先公司所使用的先进设计方法学。

ESL 设计正是这样一种方法学。

它已经被诸多国际系统和半导体公司采用。

在中国，大唐已率先在中国3G 手机技术－TD-SCDMA 开发中采用ESL 设计，清华大学及其一些产业合作单位也采用ESL 方法学开发先进的地面数字多媒体广播应用。

ESL 发展的背景电子系统级（ESL ，Electronic System Level ）设计方法和ESL 工具相对来说是一种较新的方法学和工具。

虽然这种方法学的提出和工具的开发在20世纪90年代已经开始，但由于相关工具无法配合及市场需求较少，在过去几年EDA 产业一直居于不太起眼的位置。

随着90nm 技术的出现，上亿门规模电路的开发及系统的复杂度得剧增，ESL 设计逐渐受到重视，但真正能够执行设计流程所需的ESL 工具，直到最近几年才开始陆续上市。

ESL 设计指系统级的设计方法，是从算法建模演变而来的。

ESL 设计已经演变为嵌入式系统软、硬件设计、验证、调试的一种补充方法学。

这些嵌入式系统包括SoC 系统、FPGA 系统、板上系统、多板级系统。

ESL 设计以抽象方式来描述SoC 系统，给软、硬件工程师提供一个虚拟原型平台，用以进行硬件系统结构的探察和软件程序的开发。

在ESL 设计中，系统的描述和仿真的速度快，使设计工程师有充裕的时间分析设计内容。

ESL 设计不仅能应用在设计初期与系统架构规划阶段，也能支持整个硬件与软件协同设计的流程。

引言随着工艺能力和设计能力的快速发展，为了满足嵌入式系统市场对于成本、功能和功耗的要求，SoC(System on-a-Chip)设计技术已经成为一种发展趋势。

众所周知，迄今为止在集成电路发展过程中，摩尔定律（单芯片上所能集成的晶体管数目每18个月翻一番）一直在起作用，因此SoC 的规模和功能在不断急剧膨胀，使得设计验证日益重要，向业界提出了巨大挑战，已成为了整个SoC 设计流程的瓶颈[1]。

目前芯片一次投片成功率只有35%左右，造成芯片重复投片的主要原因就是验证不够充分。

SoC 设计的验证需要投入的资源已占整个设计资源的60%~80%。

1999年当VSIA 1举行验证专题会时，许多世界级验证专家得出结论：验证是件困难的事（hard ）,几周后更把结论更正为“Verification is not hard,it is very hard”。

现在愈来愈达成共识：单一的设计工具难以解决验证问题，而需要一系列复杂的工具和技术，来减少设计错误数，使之达到可接受的程度。

SoC经过6、7年的发展，有了广阔的市场。

SoC验证研究领域在验证技术、验证方法学、测试码提取、验证描述语言、IP核重用验证、验证流程及验证评估方面取得了长足进步。

但总体而言验证技术已经落后于设计和制造能力，模拟和验证工作成为整个SoC学科发展的制约瓶颈，给提高设计生产率造成了障碍。

如何构建一种更快更好的设计验证方法学是当前SoC业界所关注的问题。

SoC概述什么是SoCSoC即系统级芯片，是一种专门用来描述高集成度器件的术语，也称SLI(System Level Integration)。

SoC将系统的主要功能综合到一块芯片中，本质上是在作一种复杂的IC设计。

SoC是集成电路设计和工艺的发展产物，它可以将整个系统集成在一个芯片上。

1995年美国的调查和咨询公司Dataquest对SoC的定义是，包括一个或多个计算引擎（微处理器/微控制器/数字信号处理器）、至少10万门得逻辑和相当数量的存储器。

随着时间的不断推移和相关技术的不断完善，SoC的定义也在不断发展完善。

现在的SoC中，要在芯片上整体实现CPU、DSP、数字电路、模拟电路、存储器及片上可编程逻辑等多种电路，综合实现图像处理、语音处理、通信协议、通信机能、数据处理等功能。

SoC按用途的不同可以分为两种类型，一种是专用SoC芯片，是专用集成电路（ASIC）向系统级集成的发展。

另一种是通用型SoC芯片，将绝大部分部件，如MCU、DSP、RAM、I/O等集成在芯片上，同时提供用户设计所需的逻辑资源和软件编程所需的软件资源。

SoC的构成在目前的集成电路设计理念中，IP是构成SoC的基本单元。

所谓IP可以理解为是满足特定规范，并能在设计中复用的功能模块，又称IP核（IPCore）从IP的角度出发，SoC可以定义为基于IP模块的复用技术，以嵌入式系统为核心，把整个系统集成在单个（或少数几个）芯片上，从而完成整个系统功能的复杂的集成电路。

目前的SoC集成了诸如处理器、存储器及输入/输出端口等多种IP。

SoC设计方法的发展与挑战未来的SoC中将会用到更多的处理器，以便更加灵活的支持不断出现的新应用。

设计方法也会改进来应对新的挑战，它会对设计工具提出新的要求，产生新的设计技术。

1.系统级设计SoC的设计应该是一个软件、硬件协同设计的过程，这也是一个SoC系统一个非常重要的标志。

然而，传统的集成电路设计方法一般都是将系统级设计分为两个阶段：系统级软件开发阶段和电路级硬件设计阶段。

需要特别指出的是，软件开发和硬件设计往往是相对独立进行的。

在系统级，软件开发人员使用如C/C++等的高级编程语言进行系统描述和算法仿真，并分析系统在软件层面的各项指标，撰写系统设计书，然后移交给硬件设计工程师。

在电路级，硬件设计师首先要花大量的时间理解系统设计书，之后才能利用VHDL或Verilog 硬件描述语言进行电路设计。

在此手工转换的过程中，可能还会引入人为的错误因素。

另外，为了验证软件开发的正确性，必须等到硬件全部完成之后才能开始软件测试和系统集成，大大延长了设计的进程。

传统的设计方法使得软件和硬件之间很难进行早期的平衡和优化，并有可能严重影响开发成本和开发周期。

根据有关统计从系统级设计到电路级设计所花费的时间一般是系统级设计所花时间的3倍左右。

因此在系统级设计与电路级设计之间架设一座桥梁，提高设计效率，保证设计成功，已经成为集成电路设计领域极为迫切的任务。

在更高抽象层次上的建模，如系统级建模，可以使硬件及软件工程师在同一个平台上设计。

业界领先的公司采用电子系统级设计方法是因为它利用系统级建模，使设计工程师能够及早进行软件开发，实现快速设计和派生设计、快速硬件验证及快速硬件/软件验证。

它还可以提供来验证下游RTL实现符合系统规范的功能测试平台。

此外，ESL设计工具可以综合针对应用优化的定制处理器，以及快速开发和实现先进算法。

对于一个大型软件开发任务，尽可能早地开始软件开发很有必要，即使原有软件的复用程度很高。

采用基于高级语言的ESL设计方法学，SoC架构工程师可以生成一个用来仿真的SoC行为模型，如果需要，还可以生成仿真SoC周期精确时序的高级模型。

这个模型称为事物模型（TLM），它使软件设计工程师在RTL设计或者硅原型完成前的几个月就可以着手进行软件开发工作。

高层次的抽象使得多种验证可以更早地进行，减少了产品的面世时间，降低了产品的成本，并且可以更早地发现设计错误。

随着高级抽象层的事物级建模标准化，自动成设计的高层次综合技术正在向普及性发展。

基于事物级建模的系统设计将成为重要的发展趋势之一。

2.基于可配置处理器设计与使用的SoC设计方法当前普遍的SoC设计方法都是基于以一个或多个高性能通用RISC处理器核（如ARM、MIPS等）为核心，构成一整个片上系统体系架构。

然而，通用处理器核的性能往往不能满足如信号处理、视频图像、协议实现、信息安全等数据密集型处理任务。

现有的典型设计方案，大多是在SoC片上加载一个算法加速单元，通过硬件连线逻辑的设计方法来实现。

但也可以看到，这样的设计方法会导致芯片面积和成本的急剧上升，同时算法加速单元的效率也可能会由于处理器核本身功能上非专用的缺陷而受到限制。

从前面的系统级设计方法可以看到，要最有效地发挥SoC的性能，尽可能早地与软件结合确定设计方案是一种行之有效的方法。

而如果能够对软件设计出专用性强、算法实现效率高的特殊处理期核，则会更方便的实现SoC的高效性。

于是，一种新型的处理器内核，可配置的、可扩展的微处理器核（Configurable Extensible Microprocessor Core）应用而生了。

这样的处理器往往通过一个生成器或编译器直接生成，这种过程的特点是可以将高层次的应用需求以指令集、代码或者高级语言直接转换为高效的硬件设计和软件工具，从而极其方便地为设计者如何使用、整合、互联形成处理器提供了积极有效的帮助，也为以这样的一个或多个处理器为核心构成SoC提供了极大的参照便利，更重要的是能使其尽早结合软件应用来实现处理器和SoC性能的优化。

使用这些可配置、可扩展的专用处理器作为SoC系统中子系统的底层构件，完全可以根据软件的需求作合适的调整，省略其中不必要的硬件组成部分，使得部分合适的软件能对其专用或共享，而其他软件程序则可以根据自身要求再“裁减”一套新的处理器核。

从这点可以看出，处理器的效率肯定会得到大幅度的改善。

诚然，现今也有许多也有相当多的设计者使用多个高性能通用微处理器构成SoC，同样也能提高性能。

但需要指出的是，这样环境下，至少一个处理器核的功能肯定得不到完全发挥，其内部对应用而无言应用的逻辑会使整个速度和功耗指标收到损失。

但是专用可配置处理器在这点的优势上较为明显，自动生成的微处理器核只包含应有所需要的功能，因此基础指令集中一定不含有应用目标中不会使用和无关的功能，由此相应带来的面积、功耗和速度等方面的负担也会得到相应的减少。

因此，使用可配置、可扩展的专用处理器作为SoC 的功能模块，会成为SoC设计中的一种必然选择。

3.未来的SoC高集成度的SoC设计只是这个问题中重要答案的一部分。

在广泛的产品类型中，设计者努力争取将系统所有的重要数字功能，如网络开关、打印机、电话、数字电视等做在一个芯片上。