基于可配置處理器的嵌入式系統(tǒng)ESL設(shè)計(jì)需求

* 算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

* 行為級(jí)綜合

* SoC架構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真及分析

* 構(gòu)建虛擬系統(tǒng)原型

* 功能-架構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)

算法設(shè)計(jì)工具允許用戶對(duì)算法進(jìn)行描述、仿真，并且可以生成算法實(shí)現(xiàn)流程的代碼描述。比如Mathworks的Matlab和Simlink就是這種工具。目前大部分的工具是使用面向數(shù)據(jù)流或數(shù)據(jù)密集型算法進(jìn)行建模，但是也有一些工具，如Mathworks的StateFlow，允許用戶使用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)控制邏輯進(jìn)行描述，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成C代碼。

行為級(jí)綜合工具是新一代基于C/C++或SystemC開發(fā)的工具，專門為滿足算法和軟件工程師而非硬件工程師的設(shè)計(jì)需要而開發(fā)的。由于使用C/C++，因此仿真速度比使用傳統(tǒng)的RTL方法有了10~1000倍的顯著提高。這也為系統(tǒng)硬件、軟件和算法的聯(lián)合仿真開辟了一條新道路。

用戶通過SoC的架構(gòu)設(shè)計(jì)工具使用傳統(tǒng)總線，標(biāo)準(zhǔn)嵌入式處理器庫(如MIPS或ARM)，以及其他的一些組件(如存儲(chǔ)器，特殊的硬件模塊和外設(shè)等)來構(gòu)建SoC系統(tǒng)。之后便可以對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，通常使用SystemC或C/C++描述的指令集仿真器(ISS)和外圍硬件模塊聯(lián)合仿真。這樣便可分析得到一些系統(tǒng)級(jí)的特性，如總線負(fù)荷、競爭，內(nèi)存訪問，處理器負(fù)荷等。這些工具可以從CoWare，ARM，Synopsys等公司得到。

虛擬系統(tǒng)原型工具提供單核或多核SoC平臺(tái)的仿真模型，可以以數(shù)十MHz的速度仿真實(shí)際系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)師需要在這樣的平臺(tái)上運(yùn)行大量的測(cè)試序列，并得到系統(tǒng)性能分析的結(jié)果，軟件開發(fā)人員也可在接近實(shí)際的仿真模型中測(cè)試他們的嵌入式軟件。

但現(xiàn)今提供的商業(yè)ESL工具沒有一種可以在更早的階段幫助工程師決定系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如決定整個(gè)系統(tǒng)需要使用處理器的數(shù)量和種類；需要設(shè)計(jì)專門的通信機(jī)制還是使用傳統(tǒng)的分級(jí)總線；如何將應(yīng)用程序劃分成多個(gè)任務(wù)，并分配到不同的處理器上運(yùn)行；如何有效的探索各種可能的設(shè)計(jì)方案等。現(xiàn)在的SoC架構(gòu)設(shè)計(jì)工具和ISS要在體系架構(gòu)確定后才有用武之地。

今天的設(shè)計(jì)要比上世紀(jì)90年代末處理器加硬件模塊的結(jié)構(gòu)復(fù)雜許多。從最小、最簡單的手持無線設(shè)備到標(biāo)準(zhǔn)的、帶有語音視頻處理功能的蜂窩電話，直至非常復(fù)雜的電子設(shè)備，當(dāng)今的技術(shù)已經(jīng)可以把多顆處理器、多片存儲(chǔ)器、復(fù)雜的片上通信總線網(wǎng)絡(luò)，以及由相當(dāng)可觀的硬件模塊組成的協(xié)同工作子系統(tǒng)集成到一顆SoC中。同時(shí)應(yīng)用軟件也愈加復(fù)雜，數(shù)百萬行代碼組成的系統(tǒng)軟件已是司空見慣了。因此，使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得日益困難，這一切都使得ESL設(shè)計(jì)方法學(xué)變得越來越必要。尤其是當(dāng)可配置處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的固定指令集處理器，可能的設(shè)計(jì)方案越來越多時(shí)更是如此。

定制指令集處理器(ASIP)

基于特定應(yīng)用定制指令集處理器(ASIP)，這一概念在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中變得越來越重要。ASIP的設(shè)計(jì)方法學(xué)和開發(fā)工具也在學(xué)術(shù)界和IP設(shè)計(jì)領(lǐng)域被提及，并且許多商業(yè)的ESL工具已經(jīng)提供了類似的處理器和協(xié)處理器綜合工具。處理器的指令集大都采用一種中間形式進(jìn)行描述。Tensilica提供的XPRES工具也提供這樣的功能，由Tensilica定義的TIE語言描述的，并且工程師可以應(yīng)用這種語言，進(jìn)一步手動(dòng)優(yōu)化處理器的特定配置。

如果SoC的設(shè)計(jì)是要通過單顆CPU實(shí)現(xiàn)，也許再增加一些硬件加速器來提升性能，那么現(xiàn)在的這些工具和設(shè)計(jì)方??就已經(jīng)足夠了。但事情并非如此簡單，如今已有很多的SoC設(shè)計(jì)使用了至少兩顆處理器(一顆是做控制的RISC，另一顆是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的DSP)，并且下一代SoC設(shè)計(jì)正朝著6~10顆處理器這一方向前進(jìn)。在這種情況下，目前顯然缺乏設(shè)計(jì)方??和工具來支持這樣的設(shè)計(jì)。