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嵌入式系统开发平台IP核接口层的研究与设计.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《嵌入式系统开发平台IP核接口层的研究与设计pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含青岛大学硕士学位论文嵌入式系统开发平台IP核接口层的研究与设计姓名:翟博申请学位级别:硕士专业:计算机软件与理论指导教师:邵峰晶摘要由于系统级芯片S符等。

青岛大学硕士学位论文嵌入式系统开发平台IP核接口层的研究与设计姓名:翟博申请学位级别:硕士专业:计算机软件与理论指导教师:邵峰晶摘要由于系统级芯片SoC(SystemOilachip)具有高效的集成性能是替代集成电路的主要解决方案已经成为当前微电子芯片发展的必然趋势。SoC设计规模的不断增大也使得以IP核形式实现系统功能成为SoC设计的主流因而如何保证SoC中各IP模块通讯的正确进行如何更方便的集成口核这些问题都是该领域待解决的课题。鉴于此本文在对口核互连进行分析的基础上针对SoC总线标准的IP核接口的兼容问题研究和设计了妒核总线接口层的软件封装并将其作为课题组提出的基于层次的嵌入式系统开发平台的IP核接口层予以实现使上层开发人员可以根据此规范快速开发出基于该开发平台的IP核也使得遵循该接口规范的IP核在无需了解具体SoC互连信息的前提下即可实现核内传输机制从而提高了SoC设计的可复用性。本文针对提高IP核在SoC上的易集成性研究了IP核互连规范及其标准化问题分析了IP核总线接口的设计必要性给出了IP核总线接口的设计原理及内部结构并将口核总线接口层划分为协议转换模块块数据传输模块和端口优先级件裁模块有利于提高接口的可配置性分两部分设计了IP核总线接口其中包括把IP核请求转换成OCB周期请求的OCB.InitiatorInterface模块和把OCB传送转换成接口传送的OCB.Target.Interface模块。最后本文以USB.设备控制器IP核和AHB总线为实例实现了口核总线接口完成了RTL代码的编写、设计综合及功能仿真。通过ModelSim仿真得到的结果满足了预期的需求表明了该设计方案的可行性。关键词:嵌入式系统开发平台可复用性:IP核接口层USB设备控制器IP核AbstractSinceitshigIlintegratedperformance,Systemonachip(SoC)isregardedasthemainreplacementofintegratedcircuits。andalreadybecomesinevitable’订endofmicroelectronicchipsdevelopment.BecauseofthegrowingsizeofSoCdesign,implementingsystemcapabilitiesintheformofIPCorebecomespopular.However,howtoguaranteetherunningofcommunicationbetweendifferentIPmodulesAndhowtointegrateIPCoremoreeffecientlyAlltheseproblemsstillneedtobesolved.SotowardstheIPCoreinterfaceeompatibilityofSoCBusstandardthisthesisbasedonanalyzingtheintercormectionofIPCoresresearchesthesotjt、】varecapsulationofIPCoreBusinterfacelayer,andimplementstheIPCoreinterfacelayerofembeddedsystemdevelopingplatformwhichisbasedonlayers.Inthisthesisthedesignmemodflow,andenvironmentofSoCbasedonIPdemultiplexingisexplained.WhileinordertoimprovetheintegrationofIPCoreonSoC.intercormectionrulesofIPCoreanditsstandardizationareresearched.AndthedesignnecessarityofIPCorebusinterfaceisanalyzed.ThedesignprincipleandinternalstructureofIPcorebusinterfacearepresented.TheIPcoreinterfacelayerisdividedintospecificationtransformingblockdataprocessingandportpriorityarbitration.TheIPCorebusinterfaceisdesignedintwopartsincludingOCBInitiatorInterfacemodulewhichtransformstheIPCorerequestintoOCBcyclerequest.andOCBTargetInterfacemodule.whichtransformstheOCBtransportingintointerfacetransporting.Finally,witllUSB.devicecontrollerIPCoreandAHBbusasinstancesOCBTargetInterfacemoduleisimplemented.WritingofRTLcodedesigningandemulatingarecompleted.TheresultofModuleSimemulatingcoincideswithdemandexpectedthusprovingthefeasibilityofthisdesign.Keywords:EmbeddedSystemDevelopingPlatformReusableIPCoreInterfaceLayerUSBEquipmentControllerIPCore学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法引用他入的成果均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。本人如违反上述声明愿意承担由此引发的一切责任和后果。论文作者签名:瞿诗日期:谚钌月即学位论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时署名单位仍然为青岛大学。本学位论文属于:保密口在年解密后适用于本声明。不保密d(请在以上方框内打“”)论文作者签名:日期:训年岁月f牛日日价产聃穆僦聊瑚飙锕日纰马隋晚撕.刁专蛱门.鸽喃妒l上刍撇第一章引言.研究目的与意义第一章引言系统级芯片的出现在极大满足人们新的要求的同时也迫使传统ASIC设计技术更新发展原来的设计技术己无法解决SoC设计过程中产生的设计重用及软硬件协同设计等问题“m。而支持SoC(Systemachip)的嵌入式系统开发平台是用于嵌入式系统研制的有效手段利用平台可缩短系统开发周期提高系统开发效率。设计重用(DesignReuse)是实现开发平台这一优势的关键因素之一。设计重用的最终实现方式是建立包含软硬件模块的资源库“该库的模块包含各个层次(物理层和系统层等)的描述各层次功能的封装‘使得各层次间相对独立某一层次的修改并不会影响其他层次例如当工艺技术进步时。物理层可能被修改但系统层次的描述仍然有效m。IP(IntellectualProperty)核是已设计和验证过的、具有一定可定制性的知识产权模块SoC设计中一般使用IP核来实现设计重用。IP核的多样性使得在SoC设计时.可能会遇到非常高的集成复杂度、接口的同步问题、数据管理问题以及设计验证和测试问题、结构和系统级问题。这样必然要求在各IP核之间存在某种数据交互协议以及数据交互的通道。如何保证SoC中各IP模块通讯的正确进行如何使系统性能满足应用的需要如何更方便的集成IP核所有这些问题都是该领域待解决的课题。为解决这些问题目前使用片上总线(OCB)来实现IP核的互连’。虽然基于某总线标准设计的功能模块对于同一总线具有良好的可重用性但当模块应用于不同的总线体系结构时仍需要重新设计。即使使用了功能完善、发展成熟的IP重用过程中仍可能出现接口不匹配的问题对IP复用技术的运用仍处于半自动化的程度”。重用IP模块时解决使不同来源的IP兼容各种总线的问题的途径有两种第一建立单一的总线标准。但不同的总线具有各自的特点适应特定的应用领域建立适用于所有领域的单一总线标准具有相当难度。第二设计能适用于各种总线的IP核。而IP核的设计特别是在接口标准方面目前还没有一个完全被业界认同的标准这给利用IP核进行设计带来诸多不便。这必然要求提出新的设计方法和设计模型来解决在基于IP核的SoC设计中遇到的问题。因此为使这些不同来源的IP模块一起正常工作需要对总线规范进一步抽象化使IP核可以简单地集成到总线上。OCB接口的封装也包括硬件设计和软件设计。本文主要针对SoC总线接口的软件封装设计进行了研究。青岛大学硕士论文.国内外研究动态分析实现片内互连机制具体来说也就是各功能模块问的相互通信问题包括数据格式、通信联络、时序、协议等方面“””。在SoC平台交付给用户进行后续开发时互连结构也决定着用户是否能够快速方便地加入自己专用的或第三方IP模块。对此国际上提出了许多不同的策略从根本来说这些策略大多是通过采用合理的片内总线互连协议或接标准“”’实现片内互连。目前市场上出现的各种互连机制大致可归为两类:一是片上总线协议策略。它继承了传统印制电路板的互连总线结构思想二是核中心协议策略“”它是基于标准IP核接口思想。..片上总线协议片上总线是实现SoC中IP核互连最常见的技术手段它通过总线的方式实现系统部件设备之间的数据通信是基于IP复用的SoC设计的关键技术。随着面向可重用的基于IP核互连标准技术的发展目前较有影响力的三种总线标准为:IBM公司的CoreConneetARM公司的AMBA和Silieore公司的Wishbonenq【l”。AMBA总线标准AMBA是目前业界广泛使用的片上总线标准。AMBA规范定义了分别在不同情况下使用的三种总线““:先进系统总线(AHB)它的主要目的就是连接高性能、高吞吐率的设备例如CPU、DMA和DSP等。通用系统总线(ASP)是一种连接微处理器和系统外设的高性能互连总线。外围互连总线(APB)主要特点是功耗较低且易于使用。AHB和ASP是高速总线主要提供处理器与其它设计中的高带宽模块之间的接:。这种总线常使用流水外围互联总线技术支持几种不同的传输方式以便尽可能地利用带宽。APB是专为低速外设和处理器很少访问的外设提供的一种低速总线。通过降低APB总线上的时钟速率可以大幅度的减少总线和相应外设产生的功耗。.CoreConnect总线标准IBM的CoreConnect总线在概念上类似于AMBA。CoreConnect总线提供了三种基本类型的连接功能块即处理器局部总线‘(PLB)、片上外设总线(OPB)和设备控制寄存器(DCR)“”。OPB总线主要用来连接外部设备PLB总线用于连接处理器、外部高速缓存和高速存储器是解决处理器运算瓶颈的总线DCR总线将所有连接在PLB上的模块通过雏菊链的方式进行互连配置通过它来分配配置信息从而减少数据对OPB和PLB总线的带宽占用:OPB桥主要是实现PLB总线和OPB总线的互联。因为PLB和OPB的性能存在差异所以设计中OPB桥在OPB总线端相当于一个主OPB设备而在PLB总线端则相当于一个从PLB设备。这样当从PLB设备发出信号时主OPB设备就根据它的可接收情况进行分拆、重发等。第一章引言Wishbone总线标准Wishbone总线是Silicore公司制定的片上总线协议。它的结构简单灵活完全公开和免费获得了众多支持。Wishbone的逻辑结构是三种总线结构中最简单的一种而且它只定义了一种总线结构高速总线。如果一个系统既需要高速总线也需要低速外部设备总线则可以采用两个不同的Wishbones口。Wishbone的用户可以根据具体情况对协议标准进行扩展和详细设计以定义数据顺序和标签的意义。此外用户还可以自行添加其它特性和函数。从这个意义上说Wishbone更像是给出了一个框架等待用户提出具体的实现方法“”。从上面的介绍可以看到这三种总线都采用完全同步的方式在时钟信号上升沿进行数据驱动或采样很好地贯彻了可重用设计思想。而且它们在总线操作方式上也基本相同。三种总线最明显的不同之处在于它们具体的性能参数、提供协议的完整性以及对协议应用的严格性“”。此外片上总线的使用问题也很重要。虽然这三种总线都声明免费但CoreConnect和AMBA都要求用户注册。更重要的是虽然这两种总线是免费的但是连接这些总线的IP不是免费的。相反Wishbone贝lJ是绝对免费开放知识产权模块组织(OpenCoreS)已将Wishbone作为自己开发SoC系统采用的总线结构。总之由于IBM本身存在技术优势和巨大的影响力可以预见即使不被广泛接受CoreConnect也能在业界长期存在。而由于ARM的大力推广和AMBA自身的技术特性这种总线协议将会在大多数应用领域被更多的设计者采用。同时由于OpenCoreS组织的大力支持Wishbone总线也将在比较长的时间内在自由设计者和中小型EDA企业中占据主导地位。..IP核接口标准重用IP模块时必须要解决的是使不同来源的IP兼容各种总线。最理想化的情况是所有的SoC都采用同一种片上互连标准所有的IP供应商提供的IP都采用这种互连的接口协议这样系统集成的工作就变成简单的IP互连。但是不同的总线具有各自的特点适应特定的应用领域所以不可能建立单一的总线标准。为使这些不同来源的IP模块一起正常工作需要对总线规范进一步抽象化使IP核可以简单地集成到总线上。为了解决IP核在SoC上不易集成的问题年起专门从事IP标准化和m交易的组织相继出现这些组织分布于世界各地其目的是促进IP核的发展探讨SoC设计方法学加速SoC设计的发展。这些组织按照箕性质可以分为两类:一是制定IP标准和规范的组织二是从事IP电子商务的组织。其中影响较大的是VSIA(虚拟插座接口联盟)及开放核协议国际同盟OCP.IP伽胁尬。VSIA成立于年月其目的是为系统芯片工业建立统一的技术规范和标青岛大学硕士论文准这些规范和标准可以做到使不同来源的IP能够方便地进行集成并相匹配。VSIA曾试图建立一种标准的片上互连方案但由于实际中设计需求各不相同同时现有的片上互连标准种类繁多因此很快放弃并转而进行IP接口规范化的努力。到目前为止VSIA已发布的标准/规范/文档共计个这些规范和标准内容覆盖IP设计、接口、质量、保护、设计平台等环节。经过几年的发展VSIA制定了新的工作目标由于SoC的问题已不再单纯是硬件复用的问题VSIA成立了新的工作组以适应SoC发展的需要。VSIA最初集中于为硬件复用制定规范标准随着SoC应用领域的不断扩大嵌入式软件的复用已经提到议事日程上许多SoC领域的大公司(ARMNokiaPhilipsMotorolIa)呼吁VSIA应该介入嵌入式系统和软件的工作领域从而完全覆盖SoC的设计。VSIA于年月重新定义了其使命即通过制定开放的标准和规范便于不同来源的软件和硬件IP进行集成以改善SoC开发的效率””。依靠硬件的软件工作组的目标是通过定义一个应用程序员接口AIP来改善公司内部或公司问嵌入式软件的复用及在SoC中与硬件协同工作的能力oo(a工作组目前已经形成嵌入式软件分类和术语草案文件分类的目的是定义技术术语和结构以便于解释嵌入式软件的功能和建立复用标准。工作组的最终目的是为嵌入式软件的复用制定规范和标准m。开放芯核协议国际伙伴OCP.IP成立于年月是一个非盈利性的组织最初的成员有Sonics公司、Nokia、TexasInstntments、MIPSTechnologies、UnitedMicroelectronicsCorporation以Sonics公司的OCP接口规范为基础目的是为即插即用的SoC设计提供套完整的通用标准IP插座接口把OCP发展成接口插座标准。截至年月OCPIP组织的成员迅速发展到家有个工作组覆盖市场、规范、系统级、存储器语义及验证等方面。年OCP发布了OpenCoreProtocolSpecification年末发布了其.版本。OCP.IP为其成员提供了一个个EDA工具CoreCreatorTM该工具可自动完成建立模拟、验证和包装与OCP一致的芯核。OCP规范与VSIA联盟的VCI(VirtualComponentInterface)接口标准有定的类似性OCP是VCI的功能超集加入了可配置的边带控制信号和测试信号通过流水线式的请求一响应获得更高的数据传输性能o“。目前已有SoC设计公司在商用产品开发上应用OCP例如MIPS公司的内存控制器(MemoryController)。OCP接口在实用性和性能方面都表现出了优势。国内对于OCP的研究还比较少处于探索的阶段。.主要研究内容本文主要研究针对soc总线标准的IP核接口的兼容问题为了实现设计重用而研究和实现TIP核总线接口的软件封装提出了适用于嵌入式系统开发平台的IP核开第一章引言发规范基于不同的总线标准对上层IP应用层提供了有效的支持。具体研究内容如下:.研究了基于层次的平台设计方法把碑核接口层作为嵌入式系统开发平台层次模型中一个层次予以实现满足了平台设计的要求即隐藏低一层的实现细节并为上一层提供服务。.研究了基于IP复用技术的SoC的设计方法、流程和环境对常见的IP核互连机制进行了深入分析并针对提高IP核在SoC上的易集成性研究了IP核互连规范及其标准化问题。.将IP核总线接口层划分为协议转换模块块数据传输模块和端口优先级仲裁模块并分把IP核请求转换成OCB周期请求的OCB.InitiatorInterface和把OCB传送转换成接口传送的OCB.TargetInterface两个模块详细介绍了IP核总线接口的设计。.以USB.设备控制器IP核和AHB总线为实例实现了OCBTargetInterface模块完成了RTL代码的编写、设计综合及功能仿真结果验证了总线接口设计的可行性。.分析了P核总线接口的可配置性。概括了实现IP核总线接口的可配置性应采取两种方式:一是通过配置寄存器进行动态配置这种方式可以在将来的硬件产品应用中通过软件进行配置:二是通过配置文件进行静态配置这种方式是在芯片设计过程中由硬件设计人员进行配置。.论文结构本文首先从整体上叙述了相关部分工作的要点对SoC设计中总线标准和口核技术进行了系统研究然后分协议转换块数据传输和端口优先级仲裁三个模块对IP核总线接口层进行了设计并着重介绍了。最为重要的协议转换模块最后以USB.设备控制器IP核总线接口的设计为实例详细介绍了IP核总线接口的实现方案。论文具体安排如下:第一章阐述了课题的研究背景及意义介绍了IP核互联机制相关的研究动态其中包括目前常用的SoC总线规范和正在不断推广的IP核接口规范最后对本课题的主要研究内容做出概述。第二章SoC设计中总线标准和IP核技术的研究。介绍了嵌入式系统所涉及的几点要素包括片上系统基于平台的设计以及各常用的总线标准并详细介绍了实例中用到的AMBA总线标准它也是应用最为广泛的IP核互连解决方案从IP青岛大学硕士论文开发和集成两个方面入手重点阐述了IP的基本特征设计流程及关键技术最后介绍了伊核的标准化研究。.第三章介绍了IP核总线接口的设计原理及内部结构把IP核总线接口划分为分协议转换块数据传输和端口优先级仲裁三个模块并分两部分给出了总线接各模块的设计方案其中包括把IP核请求转换成OCB周期请求的OCBInitiatorInterface模块和把OCB传送转换成接口传送的OCB.TargetInterface模块。第四章以USB设备控制器的AMBA总线接口为实例验证了IP核总线接口的设计并给出了试验结果。第五章对本课题的工作进行了总结分析了研究中存在的问题最后对今后研究工作进行了展望。第二章SoC设计中总线标准核礤核技术研究第二章SoC设计中总线标准和IP核技术研究系统级芯片SoC已经成为IC业界的焦点随着芯片性能不断增强设计规模日益增大也导致开发周期越来越长设计质量越来越难于控制芯片设计成本也趋于高昂。口复用技术有效地支持了当前的设计需要成为SoC设计的主流方法。本章首先介绍了嵌入式系统所涉及的几点要素包括片上系统基于平台的设计并简单介绍了课题组提出的基于层次模型的嵌入式开发平台的整体解决方案:然后介绍了SoC设计中常用的总线标准并详细分析了目前应用最广泛的AMBA总线最后从IP开发和集成两个方面入手重点阐述了IP的基本特征IP的设计流程及设计中的关键技术IP集成的一般考虑及集成的关键技术IP模块的评估与选择等最后探讨了国内外IP技术标准化的进程。.SoC随着微电子技术的迅猛发展集成电路芯片的集成度越来越高从而可以将原先由许多IC组成的电子系统集成在一块芯片上构成所谓系统级芯片(简称SoC)。SoC也称为片上系统通常定义为在单一芯片上实现的数字计算机系统其架构包含可执行控制/运算或信号处理功能的处理器、内存、周边电路及系统Ip(IntellectualProperty知识产权)特定逻辑电路。SoC应至少负责终端系统主要功能的一部份但仍然可以与其它微处理器搭配使用或者夕'DRAM或模拟/混合信号元件等其他元件。SoC使用IP的目的是增加复用但模块的复用并不能满足市场的压力越来越多的设计者转向使用基于平台的SoC设计方法和可重构硬件技术。IP核将主要应用于实现设计更改、缩短开发时间以及在产品付运时实现定制等。SoC开发平台可分为很少进行变动的最小基本平台部分以及为了完成系列产品而增加模块的变动部分。SoC开发平台又可分为软件及硬件部分。硬件部分包括CPU、BUS、ROM依AM、I/OPROT等计算机系统的基本部件软件部分又可以分为实时操作系统及应用软件每种硬件的再配置都会影响到软件。SoC设计技术的运用和推广大大地降低了整个系统的开发费用同时在原有芯片的基础上增加更多功能提高产品性能。尤其在消费类电子产品中SoC大大缩短了产品面市时问(TTMTime.to.Market)。因此SoC将足集成电路产业未来总的发展趋势。青岛大学硕士论文.嵌入式系统开发平台引入嵌入式系统开发平台的目的是最大限度地进行资源复用。由于资源的多样性使得嵌入式系统开发平台的组成与结构、复杂程度等不尽相同。最简单的嵌入式系统开发平台包括CPU、内存及串口如单片机开发装置。最理想的嵌入式系统开发平台其软件以外的硬件系统都是以IP的形式存在啪“。国内外现行的嵌入式系统开发平台大都介于最简单与最理想的平台之间。国外在嵌入式系统开发平台技术的竞争中TI公司的OMAP、飞利滴公司的Nexperia及Xilinx公司的Vertex已显现了其优势””。其中Nexperia面向消费类电子与移动通讯OMAP主要面向无线通讯。TI在年就推出了可扩展的开放式OMAP处理器平台被业界称为无线世界发展的里程碑。OMAP平台提供了语音、数据和多媒体所需的带宽和功能可以极低的功耗为高端.G和G无线设备提供最高的性能。OMAP处理器支持所有类似的高级操作系统无需任何新的编程技能便可提供无缝访问其高性能DSP算法的驻力。TI因拥有能满足一体化语音及数据产品需求能力而在无线业遥遥领先在提供全球范围的技术支持的同时还提供了可降低系统成本的高度集成的解决方案。本课题组研究并设计的嵌入式系统开发平台提出嵌入式系统开发平台的层次结构模型采用基于层次的平台设计方法进行嵌入式系统开发平台的体系结构模型设并给出平台各层的相关规范建立起相关行业嵌入式系统开发平台的参照模型。关于基于层次的平台设计是以在设计流程中所有关键节点上对平台层次的定义和划分为基础的平台中的一个层次代表系统设计流程中的某组关键步骤是所涉及到的后续设计步骤的一种抽象。一个平台是由从低层到高层的多个层次构成的各层实现该开发平台的部分功能同时又为高层提供所需的服务。用(N)层表示某一特定的平台层(N)层表示(N)层相邻的上一平台层而(N一)层表示(N)层相邻的下一平台层。各平台层最终以层次实例的形式来实现本层功能在分层结构中(N)层实例被定义为能够实现(N)层部分功能的一个特定模块。显然在分层结构中(N)层可以具有一个(N)层实例(如提供专用功能的IP核)也可能由多个(N)层实例的集合来完成本层功能(如由多个软件模块共同完成某种系统服务)。在(N)层中详细地定义了该层所提供的服务把分层结构中(N)层实例通过该层与上一层边界上的接口向(N)层实例提供(N)层及其下位层处理能力的功能称为(N)层服务。当(N)层实例要实现某种功能时只需通过该层与(N)层之间的接口调用(N)层服务。这种调用与(N)层服务是怎样实现的无关而且根本不需要考虑其它下位层的情况这一点正反映了分层结构的独立性。相邻平台层之间存在接第二章SoC设计中总线标准核IP核技术研究口接口是开发平台分层结构中的重要组成部分由它完成低层向高层的服务提供。基于上述设计思想将嵌入式系统开发平台层次结构划分为物理层、硬件抽象层、核心层、系统功能层j工具层、IP接口层以及口应用层。物理实现层位于体系结构层模型的底层是嵌入式系统开发平台的硬件基础。通常将嵌入式系统中硬件资源的集合看作一个物理层实例。该层实例不是对若干已经开发出来的独立模块的组装而是由特定系列的体系结构元素演化而来其目的是解决某类特殊的应用并为开发者提供进行修改的能力。系列中的元素实际上是~种能够适应多种应用场合的“硬件”的另一种命名方法其中的每个元素都可通过改变控制其结构的相应参数而迅速得到。对最终所选择的物理层实例进行包括掩膜在内的标准制造即可迅速地构造嵌入式系统的硬件环境从而满足了节省设计时间的需求。硬件抽象层为下层物理实现层平台的设计提供设计需求和规范对上实现对底层物理功能部件的逻辑封装并提供访问这些功能部件的操作接口。硬件抽象层的功能是实现对底层物理功能部件的逻辑封装并提供访问这些功能部件的操作接口为物理层平台的设计提供设计需求和规范并实现从逻辑功能到物理操作的转换。硬件抽象层的设计屏蔽了物理层实例的结构差异性有利于实现嵌入式系统的软硬件协同设计并缩短开发周期。核心层和系统功能层这两个层次利用硬件抽象层提供的接口对各种物理器件进行统一的结构化管理并对上层软件资源的运行环境及运行时机进行配置和管理从而使得在硬件基础之上的软件资源能够以最优化的方式完成相应的功能。在本课题所要实现的嵌入式系统开发平台中对这两个层次采用客户/服务的功能模式进行设计即由核心层完成任务调度和通信、内存管理等基本功能而把许多其它功能作为服务实现为系统任务或进程采用模块化的方式进行组织并由系统层进行统一管理。将上层应用提供的各种计算资源作为客户任务它们通过系统层提供的系统调用接口发出请求由相应的系统服务响应请求而核心层则对这些请求和响应进行必要的同步和调度。工具层主要为嵌入式软件设计人员提供程序设计接口以及编程工具包括:嵌入式应用基础类库、嵌入式交叉开发套件以及引导开发工具等。工具层面向二次开发用户和应用服务开发人员用以简化嵌入式软件的开发IP核接口层完成了可兼容各种片上总线规范的IP核总线接口的设计实现了IP应用层的复用设计同时屏蔽各种OCB通信协议的不匹配。碑接层的设计是为了解决不同来源的IP核在嵌入式系统开发平台中的快速集成该层通过对IP核与总线的接口进行抽象和封装来达到缩短IP核的设计周期和提高IP核复用率的目的。IP接层的主要功能有第一定义了IP核进行系统集成的接口规范使开发人员可青岛大学硕士论文以根据此规范快速开发出基于该开发平台的IP核第二实现了IP核在总线上的挂载接口使得遵循接口规范开发的IP核在无需了解具体SoC互连信息的前提FeP可实现核内传输机制。IP应用层直接面向用户并为用户提供其所需功能服务的平台层次该层实例是为了完成某特定应用(如YO任务、计算任务以及通信任务等)而选择的全部IP核组成的集合。.总线标准..总线技术综述在片上总线问世之前总线主要是指板级的系统总线和处理器的内部总线。板级总线技术的关键问题是如何在正确协调各功能单元的前提下更少的占用PCB板的面积。在SoC中信号的走线仅会影响晶圆面积而不会影响封装大小及PCB板上的连接关系。另外在做静态时序分析时工具对三态总线的处理并不理想而且许多芯片级的设计约束和折中技术都与板级的约束折中方法不同因此PCB板上的总线设计技术己无法满足片上总线的设计要求。soc的特点要求设计出新的更优化的总线结构关键的技术要求是性能高、设计时间短、便于使用、功耗低。传统的CPU和DSP本身也具有复杂的、独特的处理器内部总线结构‘但是它们缺乏相互直接集成的能力更没有集成IP核的接口标准。而SoC的设计技术要求其总线结构应该可以连接不同的IP核。只要符合总线协议的IP核都可以集成到系统中都可以被SoC设计者采用所有具有符合总线规范的接口的IP核都可以直接挂在该总线结构上P核之间的通信都通过总线结构完成不存在IP核与IP核之间的信号匹配问题即实现真正意义上的IP核“即插即用”。。在SoC设计技术中IP核的可复用性在SoC设计中越来越重要而IP的可复用性取决于两点:()IP模块本身的可复用性()系统对不同IP核的可接纳性即总线结构对不同接口IP的兼容性。所以soc中的总线结构既要为SoC系统的性能服务又必须满足IP口J复用技术的需求“”。为满足这些要求总线结构必须对大量的IP具有很好的兼容性在这种总线结构上进行SoC设计才是真正意义上的基于平台的设计技术。..片上总线结构介绍Soc总线从用途上可以分为系统总线(SystemBus)#t',蛾(PeripheralsBus)两部分总线上挂接的设备分为主设备(MasterDevice)和从设备(SlaveDevice)其中主设备能够主动地申请总线。发起总线操作而从设备只能被动的应答总线操IO第二章SoC设计中总线标准核IP核技术研究作。系统总线和外围总线之间通过桥接电路(Bridge)连接。从连接方式上SoC总线主要分为共享总线(SharedBus)和点对点总线(PointtoPoint)后者也称为Switch结构。共享总线是指系统中只有一组数据通路所有的设备都使用它来进行访问操作同一时刻只能有一对设备占有总线进行通信。这就使得总线成为系统中的关键资源需要用仲裁器来控制总线的使用权。在Switch结构中任意两个设备间都存在一组数据通路同一时刻允许多对设备进行通信“”。表.列出了常见的三种总线的特征。表.三种总线特性比较通过对以上各种总线的分析可以看出片上总线一般都具有以下特点:.采用主从式结构并且都支持多个单元。.片上总线应尽可能简单以占用较少的逻辑资源。总线的时序本身要简单便于使用者学习和接受这样IP核的设计者就可以把主要精力集中在IP本身功能的设计上。.为了降低功耗各种信号一般都尽可能保持不变并且多采用单向信号线这样也利于结构的简化以及时钟的同步。上述总线都把输入数据线和输出数据线分开并且都没有信号线复用的现象。.在批量数据交易时一般都采用流水线方式即当前的地址与上一次的数据交叠在一起从而实现一个时钟周期传送一次数据。这样就可以实现一个时钟周期完成一次数据交易。.支持可变宽度的地址和数据线。一般的片上总线都至少支持位的数据宽度这些地址和数据线的宽度都是可以改变的。这样增加了片上总线的应用范围。青岛大学硕士论文.AMBA.AHB“”AMBA(AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture)是ARM公司开发的片上总线标准不仅被用于ARM的系统中在其它系统中也得到广泛应用。AMBA总线是一个多总线系统AMBA.于年发布规范定义了三种可以组合使用的不同类型的总线:AHB(AdvancedHighperformanceBus)系统总线、ASB(AdvancedSystemBus)、APB(AdvancedPeripheralBus)外围总线。AHB是AMBA中的高速总线部分一般实现处理器与高速设备之间的通信使用于高性能、高时钟频率系统。。..AHB总线结构AHB总线结构简图如图.其主要的组成部分及其作用如下:图.AHB模型整体结构图总线主设备(Master)是系统中发起数据传输的设备可以初始化读和写。只有主设备允许在任意时刻使用总线。AHB可以有一个或多个主设备主设备可以是RISC处理器、DSP以及DMA控制器等可以启动和控制总线操作的部分。主设备在功能上可以分为两部分:主设备功能部分和AHB接口逻辑部分。总线从设备(Slave)负责响应主设备的传输请求并与主设备配合共同实现数据传输。从设备通常是复杂程度不足以成为主设备的固定功能块例如外存接口以及任何内存。从设备向主设备发出的反馈信号有:等待、成功和失败等。AHB从设备支持Split操作但并不规定每一个从设备必须支持Split操作。总线仲裁器(Arbiter)在多个主设备的系统中负责总线仲裁保证在任何时候只有一个主设备可以启动数据传输。AHB采用集中控制方式每个主设备与总线仲裁器之间都有独立请求与应答信第二章soC设计中总线标准核【P核技术研究号。AHB最多支持个总线主设备。当总线空闲时总线使用权被授予默认的主设备。此时该默认的总线主设备负责向总线发出IDLE传输。Arbiter还负责给出多总线多路转换器的控制信号和对Split操作的支持等。中央译码器(Decoder)负责实现系统的地址跌射Decoder通过地址信号的译码产生从设备的选择信号‘并负责总线多路器控制。没有任何从设备被选定时默认的从设备发出OKAY应答。....AHB总线系统的互连结构AHB系统总线协议采用的是中央多路选择器互连方案其互连结构如图.所示。所有总线主设备发出它们想要执行传送的地址和控制信号然后仲裁器决定把哪个主设备的地址和控制信号路EhN所有从设备。中央地址译码器译码地址信息产生相应的从设备选择信号同时控制从设备到主设备多路选择器把被寻址从设备的读数据和反应信号路由到所有主设备。图.AHB总线系统互连结构...AHB信号描述AHB主设备、AHB从设备、AHB仲裁嚣和AHB译码器的信号接口分别如图.中的a)、b)、c)和d)所示。‘青岛大学硕士论文HGKANTx。HBUSREQx、HLOCK.HREADYHTRANS【l:、hHRESP.HADDRI:】AHByHRESETn。主设备HWRITE、HSIZEl:IHCLK。HBURST【:.HPROT:】.卜KHRDATA:o】)HWDATA:OypHBUSKEQxl.HLOCKxlHGRANTxl、HBUSREQxl、HGRANTxl、HLOCKxl、卜\HADDKI:)/AHBHSPLINTx:lHTKANSI‘仲裁器HMASTLOCK。HMASTERfl:】。HBURST:l。HKEADY、HRESPl。HRESETn、HCLK.HSELx、卜HADDR:jlHWRITE。HTRANSI:ol、HBURST:】。HSIZE【..AHB卜从设备HRDATA【:O】)旷HRESETnHCLK、HMASTLOCK、HMASTERI:olSplitcapablec、d)图.AMBAAHB各组件的信号接口图AHB的系统信号有:HRESETnHcU(。HRESETn:系统总线复位信号用于复位系统和总线低电平有效。HCLK:系统总线时钟AHB的仲裁信号有:HBUSREQxHLOCKxHGRANTx。HBUSREQx:总线请求信号总线主设备x发出该信号向总线仲裁器请求总线。HLOCKx:锁定传送信号当该信号有效表明主设备请求对总线进行锁定访第二章SoC设计中总线标准核IP核技术研究问此时其他主设备只有等到该信号无效时才能被授予总线。HGRANTx:总线允许信号当该信号有效表明总线主设备x为当前最高优先级主设备只有当HGRANTx和HR.EADY同时有效时主设备x才获得地址/控制总线所有权。AHB的控制信号有:HADDRHTRANSHWRITEHSIZEHBURSTHPROT。HADDR::系统地址总线。HTRANSI:O传送类型信号表明当前传送的类型。HWRITE:读/写控制信号高电平时为写传送低电平时为读传送。HSIzE【::传送大小信号表明传送的数据宽度为多大典型值有:字节(位)、半字(位)和字(位)。协议允许最大可支持到位。HBURST::猝发类型信号表明当前交易为何种猝发传送类型。HPROT:O:保护控制信号它提供有关总线访问的附加信息主要用于想实现某层次保护的模块该信号在一般系统中可选。AHB的传送反应信号有:HREADYHRESP。HREADY:传送完成信号该信号有效时表明总线上的一个传送完成从设备可以通过无效该信号来插入等待状态。HRESP:O:传送反应信号提供有关传送状态的信息(成功、错误、重试或分裂)。AHB的数据总线有:HWDAl'AHRDATA。HWDATA:O:写数据总线写操作时用来把数据从总线主设备传送到总线从设备其宽度可扩展到位。HRDATA:O:读数据总线读操作时用来把数据从总线从设备传送到总线主设备其宽度可扩展到位。AHB的地址译码信号有:HsELx。HSELx:从设备选择信号该信号由地址译码器对总线上的地址译码产生来选择响应的从设备X。AHBSplit能力信号。AHB上支持Split能力的信号有:HMASTERHMASTLOCKHSPLITx。HMASTER:主设备序号指明当前哪个主设备正在进行传送。HMASTLOCK:锁定序列信号指明当前主设备正在进行锁定序列传送该信号与HMASTER信号时序相同。HsPLlTx::Split完成请求信号由总线从设备向仲裁器指明允许哪个主设备重新进行分裂交易。青岛大学硕士论文...AHBMaster和AHBSlaveAHBMaster是AHB总线上的主设备。可以通过提供~个地址和控制信号来触发读操作或写操作。图.中的CPU和DMA就是典型的APBMaster。AHBSlave即AHB总线上的从设备它在一定的地址空间内对读操作和写操作产生响应。AHBSlave还可以返回访问成功、访问失败等状态信息。。峄掣吼K。:inh:.竺型兰到Decoder凸订丽可礤而而。WwRT下。HⅥAN刚m、AHBAHBmasterWRlFf'm.slaveHRllRRTI’rnl。HMnATAnTnl、}琅DATAnlm。HRRAnY。HI也SPIl:l图.AHBMaster和AHBSlave的点对点通信AHBMaster和AHBSlave的点对点通信如图.所示。HBUSREOxl.HLOCKxlHGRANTxl、HBUSREQx.FIGRANTx、HLOCKxAHBHGRANTxl、HBUSREQxl。仲裁器HLOCKxl、HBURST:o】。HMASTERl、HREADY.HMASTCLOCK。HCLK、HRESE’fn、图.sAHB仲裁器的接口图第二章SoC设计中总线标准核IP核技术研究上图中各信号的详细描述见表.和表.表中的非向量信号数据宽度均为。表.AHB信号。表.AHB仲裁器的接口信号Arbiter收到总线申请信号HBUSREQx后对总线进行仲裁仲裁结果通过HGRANTx输出一个HCLK后使HMASTER有效以开启响应的触发器让选中的Master占用总线没有等待周期的授权过程如图.所示。懈HBU稚lBR^mmalznt洲“哪目聊期ttmT,Mm:嘲私霄话科礴碡LlZ一嚣日翳甚^尉^.‘j目图.没有授权周期的等待过程...基本传输一个AHB传输包括两个阶段:地址传输阶段和数据传输阶段。最简单的读写操作如图.所示主设备在HCLK的上升沿将地址信号及控制信号发送到总线上青岛大学硕士论文然后从设备在下一个时钟的上升沿采样地址信号和控制信号并作出相应的回应。此回应在第三个时钟的上升沿由主设备接收。实际上AHB采用了流水线结构地址传输阶段和上一次传输的数据传输阶段在时间上是重叠的这样可以保证AHB传输在单时钟内就能完成。I一....一矧一怂艇)。(控制‘慰))。(压疆脏忍翰融.删贬璁姆图.基本的读写操作...传输类型AHB传输可分成种类型由信号HTRANS:表示具体定义如表.所示。表.传输类型...猝发操作AHB协议规定了种猝发操作如表.所示。被猝发长度可分为、、拍单个传输和不定长度猝发按地址的变化特征可分为递增式猝发(incrementingburst)和环绕式猝发(wrappingburst)。()递增式猝发:地址是连续增加的用来访问连续的地址空间猝发过程中每个传送的地址是前一个传送地址的递增。()包绕式猝发:这种猝发过程中如果传送的起始地址没有按猝发长度(按字llll一啪椭娜一第二章SoC设计中总线标准核IP核技术研究节数计算等于节拍数传送大小)对齐则当传送地址递增到地址边界时传送的地址将回绕。表.猝发操作的类型...AHla传送反应总线主设备发起传送后从设备决定如何进行传送。被访问的从设备必须提供表明传送状态的反应由HREADY和HREsP信号结合使用来完成这一反应前者用来延展传送后者提供传送状态。(一)传送反应类型在AHB协议中传送反应可分为种类型由信号HRESP:指明。具体定义如表.所示。表.传送反应类型编码(二)分裂(Split)与重试(Retry)比较Split和Retry反应都为总线从设备提供一种机制:当从设备不能立即为传送提供数据时释放总线。两者的相同点时都让那个传送最终在总线上完成。Split和REtry的区别主要体现在:当一个Split或Retry反应发生时仲裁器分配总线方案的不同。对于Retry传送仲裁器将继续使用正常的优先级方案因此青岛大学硕士论文只有更高优先级的主设备才可获取总线所有权。对于Spliy传送仲裁器将调整优先级方案以便让其他任何主设备获取对总线的访问即使其优先级更低。不过仲裁器需要知道从设备何时可以提供数据完成传送。...AHB仲裁协议AHB总线采用仲裁机制是为了保证在任何时刻只有一个总线主设备可访问系统总线。仲裁器通过监视多个不同主设备发出的总线使用请求信号HBUSREQx按其内部设定的优先级方案来决定哪个主设备是当前请求总线的最高优先级主设备。(一)请求总线访问AHB总线的仲裁是“隐含的”一次仲裁可以在前一次总线访问期间完成从而仲裁不必占用AHB总线周期(总线空闲时除外)。正常情况下仲裁器只有当一个猝发交易完毕之后才把总线占用移交给另外一个主设备但为防止主设备对总线访问时间过分占用

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