片上系統(SOC)設計流程及其集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　3 基于可編程片上系統(SOPC)的集成設計環(huán)境

　　片上系統(SOC)設計所需要的EDA工具，若從硬件設計角度看，在設計流程的前端與ASIC設計差別不大。但是，從整個(gè)芯片設計角度出發(fā)，這兩種類(lèi)型的芯片設計區別較大。這是因為，在SOC設計中，一般都含有微處理器，所設計的系統級芯片都必須有設備驅動(dòng)程序與操作系統或嵌入式實(shí)時(shí)操作系統接口，必須有應用程序完成數字計算、信號處理變換、控制決策等功能。因此，在設計的前期，需要進(jìn)行軟、硬件協(xié)同設計，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(jìn)行適當劃分。在設計的中后期，要進(jìn)行軟硬件協(xié)同驗證，即把軟硬件設計放到一個(gè)虛擬的集成環(huán)境中進(jìn)行仿真驗證，以便驗證硬件的性能是否達到設計目標，軟件功能是否實(shí)現設計要求。

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

　　第一層次的EDA集成設計環(huán)境是SOC系統級集成設計環(huán)境，主要用于完成嵌入式系統的系統級設計。首先，需要根據客戶(hù)的要求，進(jìn)行系統的功能定義和性能評估，以便確定系統規格；其次，根據已經(jīng)確定的系統規格，應用系統級描述語(yǔ)言(C/C++或System C等)進(jìn)行系統設計描述與設計驗證，以便確定所定義的系統規格在功能上是否可以實(shí)現；再次，在證明了系統規格在功能上可以實(shí)現后，就需要進(jìn)行系統軟硬件功能劃分，以便確定系統的哪些功能是由軟件系統完成的、哪些功能是由硬件系統完成的、哪些功能需要軟硬件協(xié)同完成，對于既可以通過(guò)軟件系統完成也可以通過(guò)硬件系統完成的功能，需要進(jìn)行性能與成本的評估；最后，對已經(jīng)確定的硬件系統功能，還需要進(jìn)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(shí)現、哪些功能只能在PCB上實(shí)現。

　　第二層次的EDA集成設計環(huán)境是SOC硬件系統集成設計環(huán)境和SOC軟件系統集成設計環(huán)境，主要用于完成嵌入式系統的軟硬系統設計。首先，根據系統級設計中的功能劃分，分別進(jìn)行SOC的硬件系統設計和SOC的軟件系統設計。此時(shí)的硬件系統設計和軟件系統的設計是并行進(jìn)行的。在硬件系統設計中，通常經(jīng)歷幾個(gè)設計階段：行為描述與驗證(包括硬件系統的系統級、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(gè)設計階段是基于SOPC的硬件系統設計流程。在軟件系統設計中，通常經(jīng)歷如下幾個(gè)階段：軟件系統編輯、軟件系統編譯、軟件系統仿真調試、軟件系統編程等。其次，在軟硬件系統設計過(guò)程中，為了確保系統的性能價(jià)格比達到最優(yōu)，需要不斷進(jìn)行軟硬件協(xié)同設計。通常在硬件系統行為描述與仿真之后，就可以把所設計的硬件系統與軟件系統置于虛擬器件的軟硬件協(xié)同仿真驗證環(huán)境中，以便驗證硬件系統集成的系統所能達到的功能、性能、成本等，從而使得所實(shí)現的芯片級電子系統的性能價(jià)格比達到最優(yōu)。

　　綜上所述，基于可編程片上系統(SOPC)的嵌入式系統集成設計環(huán)境是一個(gè)相當復雜的集成EDA開(kāi)發(fā)環(huán)境，常見(jiàn)的可編程片上系統集成化EDA開(kāi)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，需要系統設計設計者根據現有的商用化EDA工具構建這樣的集成設計環(huán)境。有理由相信在不久的將來(lái)，將會(huì )推出類(lèi)似的集成EDA工具環(huán)境。

　　4 片上系統(SOC)是嵌入式系統發(fā)展方向

　　嵌入式系統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(shí)面市的要求，促使微處理器(包括微控制器、數字信號處理器、嵌入式處理器)向單芯片系統方向發(fā)展，從而使得基于片上系統(SOC)的電子系統成為嵌入式系統的發(fā)展方向和主流。目前國內的基于片上系統(SOC)的嵌入式系統設計大都停留在板級電子系統設計水平，隨著(zhù)可編程片上系統(SOPC)器件的應用發(fā)展，相信在今后的若干年內，基于SOC的嵌入式系統設計會(huì )逐漸過(guò)渡到芯片級電子系統的設計水平。由于芯片級電子系統設計方法與板級電子系統設計方法有著(zhù)本質(zhì)的區別，因此了解與掌握芯片級電子系統的設計流程、集成設計環(huán)境對于系統設計者來(lái)講是至關(guān)重要的，為此本文以圖示方式直觀(guān)地給出基于可編程片上系統(SOPC)的芯片級電子系統設計流程和集成設計環(huán)境，全面展示了芯片級電子系統所涉及到的問(wèn)題。