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基于IP复用的片上级系统的构建与验证.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于IP复用的片上级系统的构建与验证pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含匦堕卿美銎兰蔓篓燮篓兰』!:文章编号:()一一中围分类号:TN文献标识码:A基于IP复用的片上级系统的构建与验证胡越黎’周谌(.上海大学机电工程与自符等。

匦堕卿美銎兰蔓篓燮篓兰』!:文章编号:()一一中围分类号:TN文献标识码:A基于IP复用的片上级系统的构建与验证胡越黎’周谌(.上海大学机电工程与自动化学院上海.上海大学微电子研究与开发中心上海)擒要:以一款基于IP复用的片上级系统(sHUMV)的设计过程为具体对象介绍了多个IP核嵌入同一个系统所遇到的问题和解决方法不仅给出每个IP核的嵌入方案而且给出了整个片上级系统的验证方法}对于由模拟的IP核的嵌入而带来的验证问题提出了一种基于NanoSim的混合信号条件下的全芯片级的验证方法采用本方法验证了数模混合系统级的芯片(sHUMV)的时间大大缩短并且通过了流片一次成功证明了本方法的有效性。关键词:IP复用片上系统芯片数模混合验证EstablishmentandVerificationofanIPCoreBasedSystemonChipHuYuelilZhouChen(.SchoolofMechanicalandElectronicEngineeringandAutonlationShanghaiUniversityShanghaiChina.ResearchandDevelopmentCenterofMicroelectronicsShanghaiUniversityShanghaiChina)Ahtr扯t:nthebasisofthedesignofasC(SystemonChip)(SHUMV)inthispape“theexperienceofintegratingthreedifferentIPCoresinaSoCisshared.TheattentionwilIbepaidtotheestablishmentofthesystemandthechiplevelmixedsignalverificationmethodwhichnotonlycutsdowntheverificationtimebutalsoensurestheaccuracy.Kqwor出:IPreuseSystemonChip(SOC)AnalogandMixed~Signal(AMS)verificationO引言随着片上级系统(Sc虻)的发展一些问题已经吸引了越来越多的关注。其中之一就是IP复用当不同种类的IP核嵌入到同一个SOC系统中时依然会碰到很多问题。另一个重要的方面就是验证在验证的时间已经占据SoC设计周期%以上的情况下传统的方法面临挑战而这对数模混合的soC来说尤为严重。针对这些问题已有许多的文章进行了研究。文献对IP复用的问题进行了介绍而文献从Sc的角度阐述了IP复用的问题文献从总线的角度讨论了多个IP核的嵌套文献则将注意力放在IP和Soc的验证问题上。尽管如此还没有一种方法在所有的情况下都能奏效在实际中依然需要找到最合适本项目的方法。本文以一款SOC系统(SHUMv)的设计为基础详细介绍个不同种类的IP核的复用和集成于SCC中的情况以及芯片级的混合信号验证方法。验证结果将证实我们设计的有效性.SHUMV简介.系统结构SHUMV是一款数模混合的位芯片级电子系统主要用于汽车引擎冷却风扇的控制。该芯片采用CharteredO.pm层多晶硅层金属CMoS混合信号工艺。针对实际的应用我们在课题组原有的sC平台(SHUMV)的基础之上嵌入了个IP核它们分别是PWM(PulseWidth收稿日期:I修回日期:Z一。基金项目:国家自然科学基金()}上海市科委集成电路设计专项()。作者简介:胡越黎(一)工学博士教授博导主要从事图像处理、机器视觉、片上系统、芯片设计方向的研究.Modulation)、ADC(AnalogDigitalConverter)和OTP(neTimeProgrammable)。MV的系统结构如图所示。SHUMV以sC内核做为整个系统的核心。个新IP核中PwM是一个的数字IP核由它产生的PwM波形实现对汽车引擎风扇运转的控制。由图可知PwM的运行在SOC内核的控制下完成。而ADC作为采集外界信息并将其转换成内核能够处理的数字信号的模拟模块它既拥有独立的电源系统和输入信号引脚。又与SoC内核及PwM保持联系。另一个模拟的单元OTP使我们的SOC具有了片上RoM功能。这个lP核都已经经过流片的验证。因此本文主要讨论IP核的集成与验证问题。图SHUMV系统结构.IP核的嵌入在SHUMV中所嵌入的个IP核它们不仅功能不同而且又有数字与模拟的区别。因此如何使它们嵌入在整个系统中协调工作是首先考虑的问题。在一个SoC系统中嵌入IP核最直接的方法就是实现IP核与系统接口的对揍如图所示。该方法可以被看做是将IP核“挂”在各类系统总线上。PwM的嵌入采用的就是这样的思想。在原来的SoC平台上主要包括三大总线地址总线、中华测控网chinarllca.com万方数据计算机测量与控制第卷数据总线和控制总线。PwM的嵌入必须实现与上述三类总线证这也是一般SoC系统仿真的难点我们的解决办法就是借相衔接。从整个系统运行的角度看soC对PWM的控制是通助NanoSim。Nar岱im是一个高速晶体管级电路模拟和分析工过对特殊功能寄存器SFR(specialFunctionRegister)的读写具也支持用vedlogA等描述的行为级模型。其查找表概念来实现的。因此我们在PWM模块内添加相应的SFR对其和电路分区技术使其在中小规模设计中有全芯片仿真的优势而赋予地址并使之与相应的总线连接使得Soc能够真正地不减少精度。特别是当我们把Namsim和v(:S结合使用时可寻找并读写这些寄存器从而达到控制PwM运行的目的。而以灵活地获得门级仿真的速度和晶体管级的精度间的折衷。而PWM波形的输出则是通过复用P口的两个引脚来实现的在传统仿真方法中遇到的一些问题如对行为级模型精确度的为此对于P口的模块进行了相应的改动。依赖性以及晶体管级验证耗时过长等通过这种方法都得到了与数字模块相比模拟IP核的嵌入虽然在原理上大同小异但牵涉到了更多的问题。为使ADC具有独立的电源、地和输入信号增加了个引脚。此外ADC的IP核只是一个能独立执行模数转换功能的模拟硬核为了能使sC有效地对ADC进行操作控制我们用Verilog另行编写了一个控制ADC模块的软核。与PWM模块相同将该软核与总线相衔接以接受sC的命令也由它来启动ADc的运行。值得一提的是该ADC模块可以由PWM信号来触发即通过对控制寄存器的设置在每个PwM波形高电平的中点触发ADc的启动。这是本设计的一个创新之处以硬件形式简化实际应用中软件的工作量。嵌入OTP时考虑得更多是端口复用的问题。PO口、P口及P口都被复用来传递对oTP编程时的地址、数据和控制信号等数据。通过复用REsET信号芯片可以处于工作和烧写两种状态。当处于前一种状态时SoC从TP正常地读取指令}而当处于后一种状态时soc停止工作而TP可以进行烧写。为了适应编程时的高电压(.V)新增了一个编程引脚VPP。与上述两个模块不同TP内不设SFR而直接与总线相连接。以上IP核的嵌入方法中数字部分的改动在RTL级就可以实现而模拟部分则涉及IC设计后端的问题在本文中不作介绍。系统验证与实验结果本文中所介绍的验证针对的是整个sC的系统级验证。重点是新的IP核在内核的控制下工作的情况。由于系统中嵌入了模拟的IP核数模混合的验证是一个很大的挑战。.验证环境针对SHUMv而建立的数模混合验证环境如图所示。它既可以对传统的数字模块进行全流程验证又可以在不同的层次上进行数模混合的系统级验证。该环境涉及的工具包括VCs、D陷igll咖ilernosim和Fom】ality它们都是SyTlopsyS公司的产品。自行编写的Ⅶ的程序可将由wave编译器生成的进制的汇编代码转换为二进制的指令码以此产生系统的激励信号。上述环境中最具挑战性的部分是数模混合的验中华测控网chinamca.com较好地解决。该验证方法很容易集成到现有的芯片设计流程中可以在设计的各个阶段进行不同层次的全芯片验证。图所示的验证环境中用Verilog语言编写了顶层的testbench并将它作为整个流程自始至终的共用的顶层。数字部分仍然用Verilog描述SRAM和片内ROM(TP)用Verilog行为级模型描述以加快仿真速度ADC则根据具体的需要可用Ve“Iog行为级模型或SPICE网表进行描述。由于在进行数模混合验证时。ADC需要外加独立的电源、参考电压和模拟输入激励信号这些所需的激励和ADC被共同打包并为之建立了一个VerilogWrapper。.验证结果在具体的验证过程中我们对个的IP核都进行了详细的验证。考虑到整个过程的冗长结果无法一一展示。这里将展现的结果是由PwM触发ADC的转化产生的而其控制程序存放在TP内SoC通过读取该程序来控制PWM和ADC的运行。我们可以通过这一次验证实现了对个IP核功能的测试:oTP读取程序PWM产生波形ADC进行模数转换。M.啦:.ul:凹.“nnfr几几几『nn几nn口I口IIIIIIIlII日IlClIIIIIIIIIlFD州fXhDIDU:{H儿U玎:儿玎UF【jH(V)£莎\‘=弋./弋</。向娜“揖鲫f.国溉删‘‘\f.}.O\‘嘲删a/眦岫O.“。t/图PwMADc联动波形图万方数据第期胡越黎.等:基于IP复用的片卜级系统的构建与验证HlOlF.OLMl:.u广...........一I......................一广n几n几r门厂几nn几门nn几n门一如XX似)DmmmmDAxuB(v):t()B(.uo.嘶)D:】v(IN)oo}=========产======d==产u.u.u.uut/图单次转换波形图在验证中我们对模拟的部分选取了较坏的验证条件以便获得更可信的结果。选择ss工艺角工作电压.OV。系统输入时钟频率MHz。传统的仿真工具(如Spectre)单次ADC转换时间可能就要达到十几分钟。我们使用NanoSim进行混合信号的仿真在确保一定仿真精度的同时大大缩短了仿真时间。本次全芯片级的混合信号验证仿真时间是msCPU耗时约分钟。图给出了仿真的波形图。图分为上下两个框图上框图显示为数字波形而下框图显示的则是模拟的波形。在上框图中每个波形都是PwM与ADc的主要控制寄存器的数值。pwmo为一路PwM输出信号可以在图中观察到在每个PwM波形高电平的中点都会触发址lc进行一次模数转换。如图所示转换请求信号p、^rn首先被置为高电平J址C控制模块收到这个脉冲信号后将ADC使能信号ENABLE置激活转换时钟CU(并发出启动脉冲信号ADS开始一次啦C转换。每次转换结束后我们可以从D:o看到稳定的数字值即转换的结果。而在下框图中v(IN)为输入的正弦波激励信号频率为kHz幅度为o~.V。而阶梯形的波形则是将D:o信号转换为模拟信号后的得到的满刻度值为.V对应十进制数的范围为o~。从图中我们可以看到其随v(IN)的变化而规律地摆动图中每次转换时会产生毛刺是由于逐次逼近ADC转换期间数据不稳定引起的我们在图中标记了两点(AB)以做辨识。在A点模拟输入信号v(IN)的采样值为.V。转换结束后在A’点它的结果为H(D)相应的模拟值是.V。同样的在B点o.V的采样值转换为BH(D)相应的模拟值是O.V。两次转换的偏差均在允许的范围内获得了理想的结果。图则是单次转换的细节展示当EOC被置为低电平时ADc开始转换状态。可以看到每个时钟周期D:o数值的变化和整个呈逐次逼近过程的细节。当转换结束后EOC为高电平时Do呈现稳定的值。同时ADC向Sc发出中断请求信号adcint整个转换过程结柬。小结本文以一款基于IP复用的片上级系统:SHUMV的.u设计过程为具体对象。阐述了多个IP核嵌入同一个系统所遇到的问题和解决方法。不仅介绍了每个IP核的嵌入方案而且给出了整个sC系统的验证方法和流程。对于由模拟的IP核的嵌入而带来的验证问题本文给出了一种基于NanoSim的混合信号条件下的全芯片级的验证方法。采用本方法验证数模混合系统级的芯片(sHuMv)的时间大大缩短并且流片一次取得成功证明了该方法的有效性。参考文献:C.TrummertC.M.Kirchsteigerc.Stegeret矗lAcomponentselectionmethodologyforIPreuseinthedesignofpowerawaresoCsbasedon”quirementssimilarityA.SystemsconferencerdAnnualIEEEC.IEEEpp..S.SarkarS.ShindeS.G.ChandarAneffectiveIPreusemethodoIogyforqualitysytemonchipdesignA.systemonChip.。ProceedingsInternationalSymposiumC.Nov.pp..K.choJ.KimE.JungetalReusableplatfo玎ndesignmethodologyforsccintegrationandverificationA.SoCDesignConference.IsOcc’.IntemationalC.Nov.v.pp.S.H.changD.KimReu鸵~basedmethodologyindevelopingsystemonchip(Scc)A.insoftwareEngineeringResearchManagementandApplications.FounhInternationalConferenceC.Aug.pp..向慧芳胡越黎.基于sDzXMVMCU核的多处理器架构设计口.计算机测量与控制():.郭腊梅胡越黎.一种Mcu总线结构的设计J.计算机测量与控制()t.韩桂泽胡越黎.一种嵌入于微处理器的位乘加器的设计J.计算机测量与控制():.McNealJMartinDMethodologyforcosimulationofMixedSignIPA.SNUGProceedingsc.sanJose.NanoSimIntegrationwithVcsManualZ.A.DeshpandeVerificationofIPcorebasedsoC’sA.QulityElectmnicDesignZ.SQED.thIntemationaISymposiumc..中华测控网chlnamca.com万方数据基于IP复用的片上级系统的构建与验证作者:胡越黎周谌HuYueliZhouChen作者单位:胡越黎,HuYueli(上海大学,机电工程与自动化学院,上海,上海大学,微电子研究与开发中心,上海,)周谌,ZhouChen(上海大学,微电子研究与开发中心,上海,)刊名:计算机测量与控制英文刊名:COMPUTERMEASUREMENTCONTROL年卷(期):,()参考文献(条)CTrummerCMKirchsteigerCStegerAcomponentselectionmethodologyforIPreuseinthedesignofpowerawareSoCsbasedonrequirementssimilaritySSarkarSShindeSGChandarAneffectiveIPreusemethodologyforqualitySystemonChipdesignKChoJKimEJungReusableplatformdesignmethodologyforSoCintegrationandverificationSHChangSDKimReusebasedmethodologyindevelopingSystemonChip(SoC)向慧芳胡越黎基于SDZXMVMCU核的多处理器架构设计期刊论文计算机测量与控制()郭腊梅胡越黎一种微控制器总线结构的设计期刊论文计算机测量与控制()韩桂泽胡越黎向慧芳一种嵌入于微处理器的位乘加器的设计期刊论文计算机测量与控制()McNealJMartinDMethodologyforCosimulationofMixedSignalIPNanoSimIntegrationwithVCSManualADeshpandeVerificationofIPCorebasedSoC's本文链接:http:dgwanfangdatacomcnPeriodicaljsjzdclykzaspx

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