如何利用嵌入式軟件設(shè)計SoC

美國Globalpress公司舉辦的2007電子高峰會議上，舉辦了一場SoC(系統(tǒng)芯片)的專題討論會：設(shè)計師如何利用嵌入式軟件作為SoC器件設(shè)計的關(guān)鍵。會議上的專家各抒己見。
　　
完整方案比單個硬件重要

主持人: Gartner公司的高級分析師John Barber

軟件在嵌入式產(chǎn)品中的份量越來越重。自2000年來，價值觀念發(fā)生了巨大的變化，2000年以前，主張是器件，即讓我們的器件與競爭對手的性能、品質(zhì)進(jìn)行對比具有優(yōu)勢，這就是那時形成鮮明特色的關(guān)鍵。現(xiàn)今，制造商和客戶需要的是解決方案，而不僅僅是器件。我的價值主張，我的鮮明特色，必須是完整的解決方案，包括與硬件一塊推出的可以立即投入大批量制造的軟件棧。
　　
硬件與軟件將設(shè)法整合到單個流程

Mentor Graphics系統(tǒng)級設(shè)計總監(jiān)Bill Chown

我們過去所從事的是硬件設(shè)計，現(xiàn)在則還需要輔以軟件應(yīng)用方面的大量工作。但這兩者的“婚姻”卻并不幸福。在兩者之間，我們需要填補(bǔ)在基礎(chǔ)架構(gòu)方面的鴻溝，如今的硬件不是從頭設(shè)計的，需要進(jìn)行基礎(chǔ)架構(gòu)的復(fù)用。需要復(fù)用的包括處理單元、內(nèi)存、接口器件... ...許多基礎(chǔ)設(shè)計事先已經(jīng)被人們所了解、得到了分析和預(yù)先進(jìn)行了配置。我們需要把它插入到系統(tǒng)中，提供針對硬件的軟件能力，以及針對具體應(yīng)用的軟件能力。在用戶對硬件和應(yīng)用軟件的使用目標(biāo)的這兩個空間之間，我們必須確保能讓他們尋求到與他們的具體需求相應(yīng)的問題所在，但是最大限度減小他們花在兩個空間之間的工作量。

EDA代表電子設(shè)計自動化，但我們有時候會迷失，而忘卻了“自動化”一詞正是我們在這個空間中應(yīng)該完成的工作。我們應(yīng)該回顧在這個流程中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自動化的對象是什么？那并不僅僅意味著工具的改進(jìn)，而且意味著我們能通過標(biāo)準(zhǔn)化來簡化問題。

總結(jié)一下，我們能讓人們?nèi)プ龅氖虑椋菑囊粋€在系統(tǒng)空間中的概念設(shè)計，一直到完成整個流程。概念設(shè)計上的革新是關(guān)鍵，我們需要靈活多樣；隨著設(shè)計的進(jìn)行，我們需要嘗試不同的解決方案。如果我不知道我在做什么，就無法去嘗試替代方案。所以良好的分析將告訴我，我所做的工作將會把我?guī)蚝畏?。這些不同的任務(wù)中的每一項(xiàng)，都對應(yīng)著每一個團(tuán)隊(duì)所從事的領(lǐng)域。因此，這是一個復(fù)雜的世界，但我們將設(shè)法將其整合到一起。在實(shí)現(xiàn)整合的過程中，我們應(yīng)該能加速、改動，并將來自于不同領(lǐng)域的軟件與硬件、系統(tǒng)與驗(yàn)證集成到單個流程中。
　　
軟件的關(guān)鍵作用是保證批量

MIPS Technologies公司市場行銷副總裁Jack Browne

在SoC設(shè)計時，我們所面臨的挑戰(zhàn)是多方面的。首先我們希望能向市場上推出種類多樣的產(chǎn)品。以MIPS公司為例，有3種不同的微架構(gòu)系列，10種不同的處理器內(nèi)核。我們必須具有某種能讓我們能投入制造的業(yè)務(wù)模式，因?yàn)楸竟镜臉I(yè)務(wù)模式是基于IP(知識產(chǎn)權(quán))使用費(fèi)的，我們的年收入的一半來自于授權(quán)和版權(quán)使用費(fèi)?？蛻舻漠a(chǎn)品要達(dá)到制造批量，交貨則需要3～4年；他們拿到所設(shè)計出的芯片，要2年，然后他們再讓OEM來設(shè)計出系統(tǒng)，而這又要花上2年。所以，該供應(yīng)鏈有一個問題：如果我的收入嚴(yán)格取決于制造批量，你應(yīng)該如何來支付這些開發(fā)的費(fèi)用？費(fèi)用的支付要延后4年，財經(jīng)界是不能容忍戰(zhàn)略性項(xiàng)目上的虧損的，你必須展示出業(yè)務(wù)的良好性。

另外一個挑戰(zhàn)是，你希望進(jìn)入不同的、類型各異的市場。其中每個市場的成功的臨界數(shù)量(客戶數(shù)量)是不同的。同時你還必須支持不同的OS(操作系統(tǒng))。你必須有解決所有這些問題的方案。我們的做法是，承認(rèn)人們有一個平臺。軟件，無論是Linux還是其他的實(shí)時操作系統(tǒng)，一直到應(yīng)用層次。我們所追求的關(guān)鍵一點(diǎn)，是使用硬件抽象層。從根本上來說，如果我有兩家不同的客戶，他們決定購買不同的套裝，或者甚至不同的USB控制器，則通過硬件抽象層，如你的PC中的BIOS，我可以實(shí)現(xiàn)不同的偏好，而不用移植操作系統(tǒng)。

你去考察供應(yīng)鏈上的不同玩家的商業(yè)模式的話，就會發(fā)現(xiàn)，將操作系統(tǒng)移植到另一個硬件平臺上的工作并不能提供多少余地。如果你所選擇的應(yīng)用不對路的化，則很難實(shí)現(xiàn)足夠的產(chǎn)量。如果你考察如今的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電視的話，就會發(fā)現(xiàn)其中有些采用了300萬行的軟件。而你將看到2年后的HDTV將采用500萬行的軟件，而且其中有16個處理器，用于處理不同的任務(wù)。

所以軟件的關(guān)鍵作用就是保證批量。如何找到一個合理的財經(jīng)運(yùn)作模式，是EDA、IP公司、半導(dǎo)體公司、軟件公司共同努力解決的挑戰(zhàn)。
　　
多處理器的軟件設(shè)計法

Tensilica公司市場行銷副總裁Steve Roddy

軟件的重要性到底有多高？有人認(rèn)為市場規(guī)模尚小，有些人認(rèn)為它很重要，另一些人則主張我們處在一個臨界階段，許多軟件都實(shí)現(xiàn)了移植。

3種觀點(diǎn)也許都是正確的，具體取決于其市場。但我想退一步思考一下處理器也許倒也無妨。一個有趣的問題是，如今和未來的應(yīng)用應(yīng)該需要多少個處理器？這里借用ITRS(國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖)，來展示在每個工藝節(jié)點(diǎn)對應(yīng)著的、每個SoC上平均使用的處理器的數(shù)量(圖2)。當(dāng)前，ITRS宣稱每個SoC上平均有32個可編程器件。我們知道，有些可能數(shù)量會多些，有些則少些。Tensilica與Cisco合作，推出了基于130nm節(jié)點(diǎn)的、采用192個處理器的設(shè)計。所以處理器的數(shù)量會出現(xiàn)迅速增長。而軟件正是在此之上運(yùn)行的。

圖2 2005 IRTS MPSoC 發(fā)展圖可看出，多核設(shè)計時代來到了

是的，軟件的復(fù)雜程度和架構(gòu)的復(fù)雜程度都正在增加。即便處理器的數(shù)量在增長，它們并不全都一模一樣。這些器件上將出現(xiàn)多樣化的處理器。

關(guān)于嵌入式的設(shè)計，很明顯的一點(diǎn)是，軟件的形式必然迥異于普通的通用型軟件。事實(shí)上，嵌入式世界迥異于與通用型軟件世界。在通用型應(yīng)用的世界中，如Intel和AMD，在處理器上運(yùn)行的軟件在器件開始推出時尚不為人所知。因此一般采用通用型的計算，對于通用型的計算，人們采用通用的SMP Die Bucket 架構(gòu)。在嵌入式世界中，如果你設(shè)計用于路由器的芯片的話，它就是供路由器專用的。優(yōu)點(diǎn)就在于你知道器件的用途，所以其設(shè)計會針對具體應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，讓人們能利用專用的處理器，如可重構(gòu)的和可擴(kuò)展的處理器，以節(jié)省面積、成本和功耗。因此兩者的設(shè)計之道大相徑庭。擁有許多可重編程的處理器，并不意味著你有一個全新的世界。系統(tǒng)架構(gòu)和硬件架構(gòu)研發(fā)者努力解決這個問題已經(jīng)有幾十年了。他們將其稱為SoC，現(xiàn)在人們以處理器為單位進(jìn)行設(shè)計，而不是硬件模塊，他們在系統(tǒng)中引入了許多軟件的東西。但這并不意味著在設(shè)計這些東西的方式上會遇到什么危機(jī)。

設(shè)計這些系統(tǒng)的風(fēng)格，仍然具有一個SoC只有一個處理器的年代的SoC設(shè)計、架構(gòu)所具備的那種多樣性。你可以讓處理器間具有一個看起來非常傳統(tǒng)的聯(lián)系，采用SMP通用型架構(gòu)，你可以讓處理器之間根據(jù)具體應(yīng)用來建立互動關(guān)系，你可以在處理器間建立硬件風(fēng)格的數(shù)據(jù)流。事實(shí)上，某些處理器甚至根本都不清楚芯片上有其他處理器的存在。這些東西的實(shí)現(xiàn)有多種多樣的途徑，成功的關(guān)鍵是功能劃分，人們可以在功能模塊中放入標(biāo)準(zhǔn)、API，事實(shí)上，在這些系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件，可以造成復(fù)雜性極大增長，而我們在實(shí)現(xiàn)上仍然感受不到危機(jī)的存在，通過功能劃分，經(jīng)過優(yōu)化的處理器、經(jīng)過優(yōu)化的API將通用型的程序與軟件的所有復(fù)雜性隔離開來。

圖3  隨著處理器復(fù)雜度上升軟件比例上升

設(shè)計者完全可以利用直截了當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法來掌握如此復(fù)雜的，設(shè)計數(shù)百萬行程序的軟件工作。
　　
軟件發(fā)揮至關(guān)重要的作用

Wipro公司半導(dǎo)體/消費(fèi)事業(yè)單位副總裁Siby Abraham

今天，推動半導(dǎo)體業(yè)發(fā)展的仍然是摩爾定律。對我來說，在設(shè)計中如何放入更多的邏輯、在一定的芯片面積上能放入多少個晶體管這一問題所帶來的痛苦和挑戰(zhàn)—這是技術(shù)經(jīng)理和工程師們關(guān)心的問題，倒還比不上呈指數(shù)化增長的IC設(shè)計成本。源程序的復(fù)雜性的日益增長，而成本的上漲幅度超過了硬件的。

如今，邏輯電路的80%都被復(fù)用。這意味著SoC上只有20%的邏輯是用來體現(xiàn)其不同之處的。這也就是利用軟件來實(shí)現(xiàn)SoC鮮明特色的地方。我們所看到的趨勢是，根據(jù)我們過去4年所從事的項(xiàng)目，我們在軟件和半導(dǎo)體業(yè)摸爬滾打了多年，SoC的未來在于多核架構(gòu)方面的改進(jìn)，而這正是軟件發(fā)揮其效用的地方。

如今，我們的軟件還不能有效而自然地利用好多架構(gòu)帶來的優(yōu)勢。挑戰(zhàn)在于，軟件工程師如何能利用眾多核架構(gòu)帶來的優(yōu)點(diǎn)。我們已經(jīng)看到了在SoC中對軟件的多方面的應(yīng)用。軟件的挑戰(zhàn)，可以認(rèn)為與硬件工程師們所面臨的挑戰(zhàn)是一樣的。

我們今天所看到的更重要的一點(diǎn)是，現(xiàn)在需要那些不僅僅把自己劃入硬件工程師或軟件工程師等類別的工程師們，他們了解更多的專業(yè)，從而能利用眾多領(lǐng)域的知識。我們看到一個大挑戰(zhàn)，有的客戶要求在產(chǎn)品供貨時就能提供軟件。

我們所看到的技術(shù)上的挑戰(zhàn)，價格、性能、功耗，而如今軟件團(tuán)隊(duì)也將承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。如果沒有可調(diào)試性，硬件團(tuán)隊(duì)將困難重重。

注1：關(guān)于此次討論的詳細(xì)報道及記者問答，將刊登在10月出版的專刊—《嵌入式系統(tǒng)開發(fā)》上；
注2：迎九根據(jù)此次會議的錄音整理