基于ARM的SoC设计入门

我们跳过所有对ARM介绍性的描述，直接进入工程师们最关心的问题。
要设计一个基于ARM的SoC，我们首先要了解一个基于ARM的SoC的结构。图1是一个典型的SoC的结构：
 
图1
从图1我们可以了解这个的SoC的基本构成：

•  ARM core：ARM966E 
  
•  AMBA 总线：AHB+APB 
  
•  外设IP(Peripheral IPs)：VIC(Vector Interrupt Controller), DMA, UART, RTC, SSP, WDT…… 
  
•  Memory blocks：SRAM, FLASH…… 
  
•  模拟IP：ADC, PLL……

如果公司已经决定要开始进行一个基于ARM的SoC的设计，我们将会面临一系列与这些基本构成相关的问题，在下面的篇幅中，我们尝试讨论这些问题。

1. 我们应该选择那种内核？
的确，ARM为我们提供了非常多的选择，从下面的表-1中我们可以看到各种不同ARM内核的不同特点：
 
表1
ARM已经给出了基本的参考意见：

• 如果您在开发嵌入式实时系统，例如汽车控制、工业控制或网络应用，则应该选择Embedded core。 
  
• 如果您在开发以应用程序为主并要使用操作系统，例如Linux, Palm OS, Symbian OS 或 Windows CE等等，则应选择Application core。 
  
• 如果您在开发象Smart card，SIM卡或者POS机一样的需要安全保密的系统，则需要选择Secure Core。

举个例子，假如今天我们需要设计的是一个VoIP电话使用的SoC，由于这个应用不需要使用到操作系统，所以我们可以考虑使用没有MMU的内核。另外由于网络协议盏对实时性的要求较高，所以我们可以考虑ARM9系列的内核。又由于VoIP有语音编解码方面的需求，所以需要有DSP功能扩展的内核，所以ARM946E-S或ARM966E-S应该是比较合适的选择。
当然，在实际工作中的问题要比这个例子要复杂的多，比如在上一个例子中，我们也可以选择ARM7TDMI内核加一个DSP的解决方案，由ARM来完成系统控制以及网络协议盏的处理，由单独的DSP来完成语音编解码的功能。我们需要对比不同方案的面积，功耗和性能等方面的优缺点。同时我们还要考虑Cache size，TCM size，实际的内核工作频率等等相关问题，所以我们需要的一个能构快速建模的工具来帮助我们决定这些问题。现在的EDA工具为我们提供了这样的可能，例如Synopsys?的CCSS（CoCentric System Studio）以及Axys?公司的Maxsim?等工具都可以帮助我们实现快速建模，并在硬件还没有实现以前就可以提供一个软件的仿真平台，让我们在这个平台上进行软硬联仿，评估我们设想的硬件是否满足需求。

2.我们应该选择那种总线结构？
    在提供内核给我们的同时，ARM也提供了多种的总线结构。例如ASB，AHB，AHB lite，AXI等等，在定义使用何种总线的同时，我们还要评估到底怎样的总线频率才能满足我们的需求，而同时不会消耗过多的功耗和片上面积。这就是我们平时常说的Architecture Exploration的问题。
    和上一个问题一样，这样的问题也需要我们使用快速建模的工具来帮我们作决定。通常，这些工具能为我们提供抽象级别很高的TLM（Transaction Level Models）模型来帮助我们建模，常用的IP在这些工具提供的库中都可以找到，例如各种ARM core，AHB/APB BFM（Bus Function Model），DMAC以及各种外设IP。这些工具和TLM模型提供了比RTL仿真快100～10000倍的软硬联仿性能，并提供系统的分析功能，如果系统架构不能满足需要，那么瓶颈在系统的什么地方，是否是内核速度不够？总线频率太低？Cache太小？还是中断响应开销太多？是否需要添加DMA？等等，诸如此类的问题，我们多可以在工具的帮助下解决。
    当然，机器不是万能的，不要指望工具能告诉你问题在哪里并告诉你怎么解决，工具能提供给你的只是一些统计的数据，而需要我们工程师去分析问题出在哪里并想出解决办法，所以熟悉AMBA体系结构和ARM内核是非常必要的。

3.如何选择外设IP，使用现成的IP还是自己定制？
使用IP最大的优势是Time to Market，ARM提供了相当多的外设IP供我们选择。ARM提供的外设IP集（PrimeCell? IP）包括了常用的绝大部分外设，我们可以参考表2：
 
表2：
PrimeCell?的IP一直在增加，ARM会不定期在网站上公布最新可用的PrimeCell? IP，详情情参考：
http://www.arm.com/products/solutions/PrimeCellPeripherals.html
ARM除了提供这些IP的RTL之外，还提供这些外设的驱动程序及测试程序。
使用现成IP方便的，但同时也带来灵活性的限制。举个例子，当我们需要一个SPI总线接口的时候，我们应该使用ARM的SSP(Synchronous Serial Interface)这个IP，但是这个IP为了提供能与Motorola SPI，TI SSP，NS Microwire都兼容的功能，牺牲了片上面积，导致IP复杂度增加了。如果我们的应用仅仅是需要和Motorola SPI的标准兼容，那我们又何必需要一个这样复杂的IP呢？
自己定制IP虽然得到了灵活性的优势，但是确需要设计工程师完成自己的一套验证，同时也要为这个IP开发驱动程序，工作增加了许多。我的建议是具体情况具体分析，在选择IP的时候也可以考虑第三方公司提供的基于AMBA总线标准的IP，比如Synopsys?的DesignWare? IP库中就有很多基于AMBA标准的IP可供选择，有时这些IP能够提供比ARM的IP更好的灵活性并同时使用更少的片上面积和功耗。比如同样是Memory Controller，DesignWare?的DW_memctl就比ARM的MPMC(Multi-port Memory Controller)更灵活，可以定制更多的参数。关于DesignWare? IP的详细资料，请参考：
http://www.synopsys.com/products/designware/designware.html

4.自己设计的连接在AMBA总线上的IP如何验证？
如果我们确实要自己设计连接在AMBA总线的IP，那么熟悉AMBA的总线标准是必须的。但是设计往往不是问题，问题是如何验证我们的IP能符合所有AMBA标准定义的行为 呢？
作为一个IP的验证，我们常常会使用所谓的Component-Based Verification，具体做法如图-2所示：
 
图2
在图2中我们要验证的是一个USB的IP，这个USB模块直接连到AHB总线上，在我们的testbench中需要如图中所示的各种VIP（Verification IP），如图中所示的BFM，Bus Monitor，才能够模拟一个USB模块会在真实的总线结构中会遇到的全部情况。这些VIP可以由EDA vender提供，也可以由工程师自己编写，但通常这些VIP不会使用HDL语言编写，而是使用HVL(Hardware Verification Language)语言。例如：e?, Vera等语言，当然同时也要使用支持这些语言的工具，如Verisity?的Specman?。由于系统高速总线（通常是AHB或AXI）上的行为比较复杂，所以我建议这样的VIP不要由工程师自己开发，而尽量使用EDA vender提供经过了完善测试的VIP。对于低速外设总线（APB）或SPI，I2C，USB等总线，则自己开发BFM模型和Monitor是可行的。

5. 搭建好的平台如何验证？
我们选择了适合的ARM core和总线结构，挑选了合适的IP，然后搭好了积木，TOP完成了，问题也来了，TOP该如何验证？
关于SoC的验证确实是个大题目，特别是在以IP为基础的SoC设计方法出现以后，在工程师的设计能力和验证能力中间出现了差距，也就是我们能在短时间内完成设计，却需要化数倍于设计的时间和人力来验证。最消耗时间的工作一般来说发生在软硬联仿(SW/HW Co-simulation/Co-verification)的阶段。
大家知道，抽象级越高的仿真越快，反之越慢，所以如果在我们的TOP文件中所有的模块都是RTL或Gate level的（包括ARM core），那么仿真的速度是谁也无法接受的，所以现实一点的方法是使用ARM core的DSM（Design Simulation Model）模型。具体方法如图-3所示：
 
图3
我们在图3中可以看到，对于内核(Processor)和Memory Controller我们都使用了使用高级语言编写的行为模型，并在这些行为模型和真正的RTL之间使用PLI(Program Language Interface)语言编写的接口。当然，所有别的外设IP和总线结构都还是使用RTL(因为我们就是要验证这些RTL)。DSM模型大多由IP提供商提供，如果使用的是ARM core，当然就由ARM提供了。软件由ARM提供的开发工具(ADS，RealView)编译好，产生bin文件，然后储存的Memory的模型中。
这时我们已经可以开始仿真了，ARM的DSM模型会在仿真的过程中产生一个log.eis文件，这个文件顺序记录了ARM core曾经执行过的所有指令，通过这个文件，我们就可以对软件进行debug了。
当然，使用这个文件对软件进行debug是很痛苦的，因为工程师不仅不能中断、跟踪、单步执行软件，更不能使用Semihosting功能进行文件操作和调试信息传递。如果可以使用AXD或Realview Debugger来对软件进行debug将给工程师带来极大的方便，所以EDA公司也推出了相关的产品，例如Mentor Graphics?公司的Seamless?以及我们前面提到的Axys?公司的Maxsim?等工具都能提供与AXD或者Realview Debugger协同仿真的接口。这样我们就可以象在目标板上调软件一样在仿真平台上调试软件了。
在这个抽象级别的仿真速度比纯RTL平台要快一些，大约能够做到1～100指令每秒的速度。在这样的平台上进行驱动程序和启动代码验证是可行的，但是如果要进行应用程序的全功能验证，特别是有操作系统的应用，这样的平台还是太慢了。比如在这样的平台上启动一个uClinux?，往往需要化数周的时间。显然，在这样的速度下验证应用程序还是不现实的。
解决这个问题我们有两个个选择：
(1) 使用硬件加速器
某些EDA vender会提供相关的解决方案，例如Cadence?公司的PALLADIUM? Accelerator/Emulator 和Mentor Graphics?的VStationPRO? Emulation system。这些都是能够加速我们仿真的加速器，但是一般价格昂贵，所以对大多数的Design House来说，这个方法不但性价比不高，而且也没有必要。
(2)使用FPGA原型进行测试
这个方法对于大多数公司来说是比较现实的。这正是我们的下一个问题。

6. 如何完成FPGA原型验证？
完善的FPGA验证对芯片功能验证是非常必要的，同时正如我们在上一个问题中提到的，要完成完整的功能验证，没有FPGA原型的帮助是非常困难的。具体到基于ARM的SoC，我们可以选择以下的一些方法：
(1) 由ARM公司提供的Integrator? prototyping board
ARM提供了一套名叫Integrator?开发套版，使工程师能够在这个套版上搭建和设计芯片尽量一致的验证平台。简单来说，ARM提供了Integrator? CT (Core Tile)来实现相应的ARM Core的功能和行为；使用Integrator? LT(Logic Tile)来实现我们芯片中除了ARM Core以外的所有数字逻辑（Integrator? LM上有个FPGA），使用Integrator? IM(Interface Module)连接模拟器件，再把这三个板作为子板统统插接到Integrator? AP（ASIC development Platform）。这样我们就像装电脑一样装出了一个SoC。在这个平台上，基本上所有的功能验证都可以做到，只要你对频率的要求不是太高（比如在你的应用中ARM core要跑在100MHz），这个平台是可以完成实时测试的。
(2) 由第三方供应商提供的FPGA验证平台
例如ALDEC?公司的Riviera-IPT FPGA verification system。这个系统的硬件是一块PCI接口的板卡，这个板卡的核心的一个FPGA，我们的数字逻辑还是放在这个FPGA中。同时，在这个母板上可以插上不同的ARM core的Integrator? CM，这样就完成了数字部分的搭建了。这个系统同样能提供与ARM的方案差不多的性能，但是它比ARM的方案有更多一些的灵活性。
Riviera提供了一个能让ARM core， FPGA中的已综合逻辑和未综合的RTL三方协同仿真的功能。这个功能的好处的我们可以复用原来在工作站环境下仿真时使用的Testbench、激励和参考输出，并可以把RTL象搬积木一样一块一块的搬到FPGA中。也就是说，在开始时所有RTL和Testbench都可以在PC机上进行仿真（当然是使用Riviera提供的仿真器），这时仿真的速度是比较慢的；一旦工程师觉得哪一块的RTL已经OK了，那么他就可以将这一块RTL综合到FPGA中，随着越来越多的模块进入FPGA，仿真的速对会越来越快。最后，所有的数字逻辑都综合到了FPGA中。在RTL仿真和FPGA之间建立交互还有一个好处是在FPGA debug的时候给我们带来了很多方便。调试过FPGA的工程师常常有着痛苦的回忆，由于FPGA内部的信号不可见，FPGA的debug往往非常耗时，Riviera在提供RTL和FPGA联仿的同时，还可以提供观察FPGA内部信号的功能，类似Xilinx?的CHIPSCOPE。详细资料请参照网页：
http://www.aldec.com/products/riviera-ipt/pages/coverification/
(3) 自己开发FPGA原型板
当然，如果自己设计FPGA原型板，那么工程师就会拥有最大的灵活性，自己的开发板上可以放置任何需要的器件。选用的FPGA可以尽量贴近实际SoC的运行速度，如果有Analog IP对应的Analog器件，那么功能验证的覆盖率将会非常小，最大程度减少投片不成功的风险。这个方案的代价是设计和调试验证板的时间，有时这个时间还会超过芯片设计的时间，同时也需要工程师拥有设计高速PCB的相关知识。
ARM core的测试样片是验证板的核心，这个测试样片实际上就是直接将内核拿去流片得到的（当然还要加上必要的PLL）。通常，ARM授权的Foundry会提供这样的测试样片，需要注意的是这个测试样片是否能达到应用所要求的速度，如果不能，那么实时测试将不可能实现。
另外一个需要注意的问题是FPGA的容量。在做AMBA总线结构FPGA综合的时候工程师会发现以AMBA总线为基础的RTL对FPGA资源的消耗非常惊人，有时一个150K Gate Count的数字逻辑会无法综合到一个150万门的FPGA中（如Xilinx?的XC2V1500），所以在验证板的规划初期一定要选择一个留有余量的FPGA（或几个FPGA组成阵列）。
作者：蒋燕波
意法办导体深圳设计中心