片上系統(tǒng)(SOC)設(shè)計流程及其集成開發(fā)環(huán)境

　　3 基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的集成設(shè)計環(huán)境

　　片上系統(tǒng)(SOC)設(shè)計所需要的EDA工具，若從硬件設(shè)計角度看，在設(shè)計流程的前端與ASIC設(shè)計差別不大。但是，從整個芯片設(shè)計角度出發(fā)，這兩種類型的芯片設(shè)計區(qū)別較大。這是因為，在SOC設(shè)計中，一般都含有微處理器，所設(shè)計的系統(tǒng)級芯片都必須有設(shè)備驅(qū)動程序與操作系統(tǒng)或嵌入式實時操作系統(tǒng)接口，必須有應(yīng)用程序完成數(shù)字計算、信號處理變換、控制決策等功能。因此，在設(shè)計的前期，需要進行軟、硬件協(xié)同設(shè)計，以便確定那些功能是由硬件完成的，那些功能是由軟件完成的，并且進行適當劃分。在設(shè)計的中后期，要進行軟硬件協(xié)同驗證，即把軟硬件設(shè)計放到一個虛擬的集成環(huán)境中進行仿真驗證，以便驗證硬件的性能是否達到設(shè)計目標，軟件功能是否實現(xiàn)設(shè)計要求。

　　根據(jù)可編程片上系統(tǒng)(SOPC)設(shè)計流程和軟硬件協(xié)同設(shè)計的一般流程，作者提出基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的芯片級電子系統(tǒng)的集成設(shè)計環(huán)境，如圖4所示。此集成環(huán)境是一種典型的軟硬協(xié)同設(shè)計集成環(huán)境(或平臺)，是由二個不同層次、不同功能的EDA集成設(shè)計環(huán)境組成。

　　第一層次的EDA集成設(shè)計環(huán)境是SOC系統(tǒng)級集成設(shè)計環(huán)境，主要用于完成嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級設(shè)計。首先，需要根據(jù)客戶的要求，進行系統(tǒng)的功能定義和性能評估，以便確定系統(tǒng)規(guī)格；其次，根據(jù)已經(jīng)確定的系統(tǒng)規(guī)格，應(yīng)用系統(tǒng)級描述語言(C/C++或System C等)進行系統(tǒng)設(shè)計描述與設(shè)計驗證，以便確定所定義的系統(tǒng)規(guī)格在功能上是否可以實現(xiàn)；再次，在證明了系統(tǒng)規(guī)格在功能上可以實現(xiàn)后，就需要進行系統(tǒng)軟硬件功能劃分，以便確定系統(tǒng)的哪些功能是由軟件系統(tǒng)完成的、哪些功能是由硬件系統(tǒng)完成的、哪些功能需要軟硬件協(xié)同完成，對于既可以通過軟件系統(tǒng)完成也可以通過硬件系統(tǒng)完成的功能，需要進行性能與成本的評估；最后，對已經(jīng)確定的硬件系統(tǒng)功能，還需要進行芯片與PCB功能的劃分，以便確定哪些功能可以在芯片上實現(xiàn)、哪些功能只能在PCB上實現(xiàn)。

　　第二層次的EDA集成設(shè)計環(huán)境是SOC硬件系統(tǒng)集成設(shè)計環(huán)境和SOC軟件系統(tǒng)集成設(shè)計環(huán)境，主要用于完成嵌入式系統(tǒng)的軟硬系統(tǒng)設(shè)計。首先，根據(jù)系統(tǒng)級設(shè)計中的功能劃分，分別進行SOC的硬件系統(tǒng)設(shè)計和SOC的軟件系統(tǒng)設(shè)計。此時的硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)的設(shè)計是并行進行的。在硬件系統(tǒng)設(shè)計中，通常經(jīng)歷幾個設(shè)計階段：行為描述與驗證(包括硬件系統(tǒng)的系統(tǒng)級、算法級、寄存器傳輸級的行為描述與仿真驗證)、邏輯綜合與驗證、可測性設(shè)計綜合與邏輯生成、器件適配與仿真驗證、器件物理編程與物理驗證、版圖生成與驗證。其中，前4個設(shè)計階段是基于SOPC的硬件系統(tǒng)設(shè)計流程。在軟件系統(tǒng)設(shè)計中，通常經(jīng)歷如下幾個階段：軟件系統(tǒng)編輯、軟件系統(tǒng)編譯、軟件系統(tǒng)仿真調(diào)試、軟件系統(tǒng)編程等。其次，在軟硬件系統(tǒng)設(shè)計過程中，為了確保系統(tǒng)的性能價格比達到最優(yōu)，需要不斷進行軟硬件協(xié)同設(shè)計。通常在硬件系統(tǒng)行為描述與仿真之后，就可以把所設(shè)計的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)置于虛擬器件的軟硬件協(xié)同仿真驗證環(huán)境中，以便驗證硬件系統(tǒng)集成的系統(tǒng)所能達到的功能、性能、成本等，從而使得所實現(xiàn)的芯片級電子系統(tǒng)的性能價格比達到最優(yōu)。

　　綜上所述，基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的嵌入式系統(tǒng)集成設(shè)計環(huán)境是一個相當復(fù)雜的集成EDA開發(fā)環(huán)境，常見的可編程片上系統(tǒng)集成化EDA開發(fā)套件—— Altera公司的Quartus II系列的EDA工具套件和Xilinx公司的ISE 5．x系列的EDA工具套件的儲存成化程度雖然較高，但也難以達到圖4所示的集成化程度。因此，需要系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計者根據(jù)現(xiàn)有的商用化EDA工具構(gòu)建這樣的集成設(shè)計環(huán)境。有理由相信在不久的將來，將會推出類似的集成EDA工具環(huán)境。

　　4 片上系統(tǒng)(SOC)是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展方向

　　嵌入式系統(tǒng)的核心部件是微處理器，由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，以及電子產(chǎn)品及時面市的要求，促使微處理器(包括微控制器、數(shù)字信號處理器、嵌入式處理器)向單芯片系統(tǒng)方向發(fā)展，從而使得基于片上系統(tǒng)(SOC)的電子系統(tǒng)成為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向和主流。目前國內(nèi)的基于片上系統(tǒng)(SOC)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計大都停留在板級電子系統(tǒng)設(shè)計水平，隨著可編程片上系統(tǒng)(SOPC)器件的應(yīng)用發(fā)展，相信在今后的若干年內(nèi)，基于SOC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計會逐漸過渡到芯片級電子系統(tǒng)的設(shè)計水平。由于芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計方法與板級電子系統(tǒng)設(shè)計方法有著本質(zhì)的區(qū)別，因此了解與掌握芯片級電子系統(tǒng)的設(shè)計流程、集成設(shè)計環(huán)境對于系統(tǒng)設(shè)計者來講是至關(guān)重要的，為此本文以圖示方式直觀地給出基于可編程片上系統(tǒng)(SOPC)的芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計流程和集成設(shè)計環(huán)境，全面展示了芯片級電子系統(tǒng)所涉及到的問題。