摘要：闡述了片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計的發(fā)展情況和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的獨特優(yōu)勢，為基于龍芯I號處理器IP核的SoC設(shè)計了FPGA驗證平臺，并介紹了怎樣利用該平臺進行軟硬件協(xié)同設(shè)計、SoC系統(tǒng)移植、IP核驗證和運行實時操作系統(tǒng)。

片上系統(tǒng)SoC（Sytem。n Chip），即是將整個系統(tǒng)集成在單個的芯片上。與傳統(tǒng)的板級電路不同，SoC集成的完整系統(tǒng)一般包括系統(tǒng)級芯片控制邏輯模塊、微處理器／微控制器CPU內(nèi)核模塊、數(shù)字信號處理器（DSP）模塊、嵌入的存儲器模塊、與外部進行通信的接口模塊、含有ADC／DAC的模擬前端模塊、電源和功耗管理模塊，是一個具各特定功能、服務(wù)于特定市場的軟件和硅集成電路的混合體（如U LAN基帶芯片、便攜式多媒體芯片、DVD播放機解碼芯片等）。

在SoC的設(shè)計總時間中，系統(tǒng)驗證的時間約占70％以上。為縮短SoC的設(shè)計時間、提高設(shè)計質(zhì)量，需要對驗證技術(shù)進行研究開發(fā)。軟硬件協(xié)同驗證方法與傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)仿真驗證方法不同，軟硬件協(xié)同仿真驗證是針對軟件和硬件系統(tǒng)模塊進行的混合模擬仿真［劍。目前大多數(shù)公司提供的開發(fā)驗證系統(tǒng)（開發(fā)板）存在兩個不足：一是開發(fā)板的性能、規(guī)模難以根據(jù)特定的設(shè)計需求靈活、自由地調(diào)節(jié)；二是開發(fā)板的功能大多數(shù)只能進行軟件代碼的調(diào)試，即使ARM公司提供的開發(fā)平臺也只能調(diào)試部分硬件。而現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）作為集成電路設(shè)計技術(shù)的第三次重大進步的重要標(biāo)志，可以使RTL綜合的結(jié)果直接運行在SoC芯片上，重用性及現(xiàn)湯靈活性較好。因此，本文利用Altera公司的FPGA開發(fā)工具對皋于國產(chǎn)龍芯I號處理器IP核的SoC芯片進行ASIC流片前的系統(tǒng)驗證，全實時方式運行協(xié)同設(shè)計所產(chǎn)生的硬件代碼和軟件代碼，構(gòu)建一個可獨立運行、可現(xiàn)場監(jiān)測的驗證平臺。

　　1、基于龍芯I號處理器IP核SoC芯片

龍芯I號CPU IP核是兼顧通用及嵌人CPU特點的32位處理器內(nèi)核，采用類MIPS Ⅲ指令集，具有7級流水線、32位整數(shù)單元和64位浮點單元；具有高度靈活的可配置性，方便集成的各種標(biāo)準(zhǔn)接口。圖1為龍芯I號CPU IP核可配置結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)自己的需求進行選擇配置，從而定制出最適合用戶應(yīng)用的處理器結(jié)構(gòu)。

圖1龍芯I號CPU IP核可配置結(jié)構(gòu)

主要的可配置模塊包括：浮點部件、多媒體部件、內(nèi)存管理、Cache、協(xié)處理器接口。浮點部件完全兼容MIPS的浮點指令集合，其相關(guān)的系統(tǒng)軟件完全符合ANSI／IEEE 754－1985二進制浮點運算標(biāo)準(zhǔn)。浮點部件主要包括浮點ALU部件和浮點乘法／除法部件，用戶可根據(jù)自己的實際應(yīng)用選擇是否添加。媒體部件復(fù)用了MIPS浮點指令的Format域，并復(fù)用了浮點寄存器堆，媒體指令集基本對應(yīng)了Intel SSE媒體指令集合的各種操作。圖2為基于龍芯I號CPU IP核的SoC系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 SoC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該SoC芯片支持通用MIPS32指令集，主頻可達(dá)266 MHz；內(nèi)置MAC網(wǎng)絡(luò)，提供MII接口；存儲器接口，芯片同時支持SDRAM接口、NOR Flash／ROM和＼AND Flash接口，并特置HPI接口可直接與Y0IP CODEC芯片相連；提供豐富的其他外設(shè)接凵支持，包括PC接口、UART串口、SP！接口、AC97等接口設(shè)備。提供豐富的GP10接口，能夠為“網(wǎng)絡(luò)＋語音”以及工業(yè)控制應(yīng)用提供高效的單芯片解決方案。

　　2 FPGA驗證平臺的設(shè)計

2．1 FPGA的開發(fā)流程

FPGA的典型開發(fā)流程如圖3所示。在圖3中，邏輯仿真器主要有Modelsim、Verilog_XL等，邏輯綜合器主要有LeonardoSpectrum、Synplify Pro、FPGA Ex～press／FPGA CompilerII等，F(xiàn)PGA廠家工具有Altera公司的Max＋Plusll、Quartusll，Xilinx公司的Foundation ISE、Alliance等。設(shè)計輸人主要有原理圖輸人和HDL輸人兩種方式，絕大部分設(shè)計，F(xiàn)PGA和ASIC的工程師都使用HDL平臺。設(shè)計仿真主要包括功能仿真和網(wǎng)表仿真，設(shè)汁仿真需要RTL代碼或綜合后的HDL網(wǎng)表和驗證程序，有時候還需要測試數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)可能是代碼編譯后的二進制文件或使用專門的工具采集的數(shù)據(jù)。布局布線工具利用綜合生成的網(wǎng)表、調(diào)用模塊的網(wǎng)表，根據(jù)布局布線目標(biāo)，把設(shè)計翻譯成原始的目標(biāo)工藝，最后得到生成編程比特流所需的數(shù)據(jù)文件。布局布線一般需要的輸人輸出與調(diào)用關(guān)系如圖4所示。布局布線目標(biāo)包括所使用的FPGA具體型號等，約束條件包括管腳位置、管腳電平邏輯（LVTIL、LCMOS等）需要達(dá)到的時鐘頻率，有時包括部分模塊的布局、塊RAM的位置等。在一般設(shè)計中，只需要注意管腳位置和需要達(dá)到的時鐘頻率，邏輯端口與FPGA管腳的對應(yīng)取決于PCB板的設(shè)計。

圖3 FPGA的典型開發(fā)流程

圖4布局布線的輸入輸出與調(diào)用關(guān)系

2．2驗證平臺的系統(tǒng)設(shè)計

本驗證平臺FPGA采用Altera公司的Cyclone ⅡEP2C70，該器件采用了TSMC領(lǐng)先的90 nm低電介工藝技術(shù)生產(chǎn)⒊支持4個可編程鎖相環(huán)（PLL），提供靈活的時鐘管理和頻率合成能力；包含了150個18×18 bit乘法器，可以完成基本的DSP處理；高速外接存儲器接口支持SRAM、DRAM＼DDR、DDR2以及QDRII SItAM；支持差分和單端I／0標(biāo)準(zhǔn)，包括接收速率805 Mbis和發(fā)送速率640 Mb／s的LVDS、mlnl LVDS、LVPECL、 差分HSTL和差分SSTL及處理器、ASSP和ASIC接口的64位66 MHzPCI和PCI－X；高達(dá)260 MHz工作頻率，真正的雙端口工作（1個讀和1個寫，2個讀或2個寫）；與133 MHz Pal_X1.0標(biāo)準(zhǔn)兼容；用戶最多可用引腳622個；高達(dá)402.5 MHz性能的分層時鐘網(wǎng)絡(luò)，多達(dá)16個全局時鐘線，快速串行配置時間小于100 ms；支持3．3 V、2，5 V或1．8 V多種電壓，可用于視頻、圖像處理（如MPEG4編碼和譯碼、視頻濾波）和無線基礎(chǔ)設(shè)各中?；邶埿綢號CPU IP核的SoC的驗證平臺結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 SoC的FPGA驗證平臺結(jié)構(gòu)

圖5中，外圍電路的主要功能是驗證SoC中各個接口IP模塊能否與龍芯I號IP核、外部接口單元、硬件驅(qū)動軟件和實時操作系統(tǒng)協(xié)調(diào)高效地工作。由于接口（如USB接口、UART／IrDA接口、SPI和LCD接口等）電路結(jié)構(gòu)比較簡單，且很多資料都有介紹，在設(shè)計時，除了注意通用的設(shè)計規(guī)則和印匍電路板（PCB）布局布線外，沒有特別的要求。同時，為了便于分析各個被驗證的IP模塊在任意時刻的狀態(tài)，將Cyclone Ⅱ EP2C70的大多數(shù)I／0引腳都引出到PCB上，以方便SoC開發(fā)人員使用邏輯分析儀進行信號實時采集和分析，也可讓信號發(fā)生器產(chǎn)生一些特定信號以供系統(tǒng)調(diào)試使用。該開發(fā)系統(tǒng)在設(shè)計PCB時還特別注意了電磁干擾的屏蔽問題。

　　2．3 SoC到FPGA的系統(tǒng)移植

使用Altera公司的FPGA開發(fā)工具Quartusll，將SoC向Cyclone Π EP2C70（FPGA）移植的步驟如下

（1）對SoC進行修改，以適合FPGA的開發(fā)環(huán)境。修改子模塊配置、RAM、FIFO等，添加PLL對所需要的時鐘進行適當(dāng)?shù)姆郑额l，或提高時鐘信號的質(zhì)量。

（2）使用Quartusll內(nèi)置綜合工具或?qū)Ｓ镁C合工具（如常見的Synplify．_pro）單獨建Project，對RTL進行綜合，生成網(wǎng)表。時鐘工作頻率較高的，要寫綜合約束條件。

（3）指定每一個輸人輸出信號對應(yīng)的FPGA管腳和輸人輸出邏輯類型。

（4）編譯生成的網(wǎng)表以生成sof文件，包括優(yōu)化、適配、sof文件生成等分步驟。

（5）進行靜態(tài)時序分析，檢查是否滿足預(yù)定的時鐘頻率要求，若不能滿足，則重新進行第（2）步。如果多次進行步驟（2）仍不能滿足時序要求，則需要根據(jù)關(guān)鍵路徑對RTL代碼進行修改。

關(guān)鍵路徑是指延遲最大的路徑，該路徑的延遲限制了時鐘的最大工作頻率。該SoC芯片的最大工作頻率在266 MHz以上，與選用的FPGA Cyclone Ⅱ EP2C70的總線時鐘速度相當(dāng)。

3、 VxWorks實時操作系統(tǒng)

本文所設(shè)計的SoC硬件平臺上，最終將運行Vx－Works操作系統(tǒng)，作為此次嵌入式SoC硬件平臺設(shè)計的軟件需求和最終的驗證目標(biāo)。VxWorks是一個具有可伸縮、可裁減、高可靠性，同時適用于所有流行CPU平臺的實時操作系統(tǒng)㈣?？缮炜s性指VxWorks提供了超過1 800個應(yīng)用編程接口（API）供用戶自行選擇使用；可裁減性指用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要對VxWorks進行配置，產(chǎn)生具有不同功能集的操作系統(tǒng)映像；可靠性指VxWorks可以提供非常安全的操作系統(tǒng)平臺。VxWorks的基本構(gòu)成組件包括BSP（Board Support Package）、微內(nèi)核Wind、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)及I／0系統(tǒng)。本文測試更關(guān)注于BSP、Wind以及I／O組件。BSP中包括硬件環(huán)境中CPU的初始化及系統(tǒng)各項硬件資源的安裝和配置，如RAM、Clock、網(wǎng)絡(luò)接口、中斷控制器等。微內(nèi)核Wind是Win￣dRiver公司自行開發(fā)的一種嵌人式操作系統(tǒng)內(nèi)核，該內(nèi)核具有標(biāo)準(zhǔn)的嵌人式實時操作系統(tǒng)的基本特征。

　　4、驗證平臺的檢驗

將已經(jīng)成熟的AMBA總線IP核的Verilog代碼通過Synplify綜合，利用Altera公司的QUARTUS Ⅱ軟件作布局布線，燒人Cyclone Ⅱ EP2C70，再用同樣的方式將新開發(fā)的EMI IP核的Verilog代碼燒入該FPGA，將其中的SDRAM控制器作為驗證示例，選取其中最簡單的訪問方式來驗證該平臺能否使用。上電后，首先要對所有內(nèi)存區(qū)（bank）預(yù)充電，經(jīng)8個自刷新周期后需要設(shè)置訪問模式，即編程模式寄存器。以上三個過程要求如下：

（1）預(yù)充電命令的發(fā)出要求：在時鐘周期的上升沿處，CS、RAS、WE為低，CAS為高。

（2）自刷新命令的發(fā)出要求：在時鐘周期的上升沿處，CS、RAS、CAS 禾口CKE保持低，WE為高。

（3）模式寄存器的激活：在時鐘的上升沿處，RAS、CAS、CS和WE為低。

當(dāng)要驗證各個IP模塊（包括［NT中斷控制器、DMA控制器、LCD控制器和AC97控制器等）之間的協(xié)同工作時，燒入的代碼較多，占用的FPGA資源也較多，再加上需要實時運行，例如播放PM3實時解碼過程中，時鐘至少要求60 MHz，需要工作的IP核有總線、DMA控制器、INT中斷控制器、AC97控制器等，因此在這種情況下，最好使用Multi PointSynthesis的綜合流程和Timing driv－en的綜合與優(yōu)化策略，并使用Logic一lock約束技術(shù)和人工干預(yù)布局布線，以達(dá)到預(yù)期目的。使用該平臺對所開發(fā)的SoC的各個模塊進行了驗證，并在lO MHz～70 MHz條件下與代碼前（后）仿真結(jié)果和SoC實測結(jié)果進行了比較，發(fā)現(xiàn)該FPGA驗證平臺在多模塊、高速情況下，性能有所下降，如圖6所示，需進一步提高綜合和布局布線技術(shù)。

圖6各模塊實驗驗證結(jié)果比較

本文設(shè)計了基于國產(chǎn)龍芯I號處理器IP核的SoC的FPGA驗證平臺，介紹了怎樣利用該平臺進行軟硬件協(xié)同設(shè)計、SoC系統(tǒng)移植、IP核驗證和運行實時操作系統(tǒng)。在電壓設(shè)計、模塊選用甚至處理器核的選用方面都考慮了升級擴展技術(shù)，可為其他SoC的驗證所借鑒。驗證結(jié)果表明，基于龍芯I號CPU IP核的SoC可成功運行Linux嵌入式程序及VxWorks。

[1].ALUdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ALU_2089372.html.
[2].ROMdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.
[3].GP10datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/GP10_1579585.html.
[4].PCBdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[5].EP2C70datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/EP2C70_1438351.html.
[6].LVDSdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/LVDS_457917.html.