SoC原型验证技术的研究

文章摘要：RC1000的可编程时钟可以提供400kHz～100MHz的时钟频率。它的输出时钟从“OUT”端口输出，经由连接总线驱动RC200，实现RC1000和RC200的时钟同步。2 Lena图像处理SoC原型原型验证，如图3所示。主机处理器代表SoC处理器的原型；RC1000实现图像扭曲算法，是专用图像处理模块；RC200是显示驱动模块及显示装置。Lena图像数据以静态库文件的方式嵌入程序源代码。主机程序启动后，首先对原型子系统进行配置，然后用DMA方式把图像数据送入RC1000的存储器中。数据传输结束后，主机用控制端口通知RC1000进行处理。RC1000对Lena图像进行扭曲处理，处理完一帧后，

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RC1000的可编程时钟可以提供400kHz～100MHz的时钟频率。它的输出时钟从“OUT”端口输出，经由连接总线驱动RC200，实现RC1000和RC200的时钟同步。

2 Lena图像处理SoC原型原型验证，如图3所示。主机处理器代表SoC处理器的原型；RC1000实现图像扭曲算法，是专用图像处理模块；RC200是显示驱动模块及显示装置。

Lena图像数据以静态库文件的方式嵌入程序源代码。主机程序启动后，首先对原型子系统进行配置，然后用DMA方式把图像数据送入RC1000的存储器中。数据传输结束后，主机用控制端口通知RC1000进行处理。RC1000对Lena图像进行扭曲处理，处理完一帧后，用状态端品通知主机取回结果，并在主机显示器上显示。主机拿到结果后，通知RC1000继续处理。如此反复。也就是说，主机以DMA方式传输一帧静态图像，然后再以DMA方式逐帧取回处理结果，在主机显示器上得到扭曲变幻的动态图像。

在RC1000对每帧图像的处理过程中，是以像素为单位把图像数据传递给RC200的。像素数据的传送使用三条信号线，分别是Data、Write和RC200Rdy。Data是16位的数据总线，用来发送像素数据。Write是RC1000发送数据的标志信号线。RC200Rdy表明RC200是否准备好接收像素数据Data。像素数据的发送协议与握手协议类似。在RC1000处理像素的过程中，Write为0，像素处理完成后，如果RC200Rdy为1，则开始发送数据Data，同时把Write置为1通知RC200接收数据；如果RC200Rdy为0，RC1000就进入等待状态，直至RC200Rdy跳变为1。在RC200接收、处理数据的过程中，RC200Rdy被置为0。

RC200接收到的数据是16位的，但它只支持24位或者30位的显示数据。因此，对16位的像素数据应加以处理，把它扩展到24位。动态图像的显示借助Frame Bufferdb实现，这是Celoxica的视频显示核。它用两个存储器排作为视频缓冲器，交替接收数据和驱动显示。

4 实验结果及系统原型的性能分析

Lena图像处理及其试验表明：SCSD能够有效、快速地实现SoC的原型验证和IP的仿真难证。但用于SoC原型验证，尚有不足之处。首先，它只支持设计的可配置逻辑实现，不支持诊断能力的实现；其次，它只能在单个FPGA上实现设计，不能把Handel-C设计划分在多个FPGA上实现。而这两点对于原型验证来说却非常重要。

诊断就是在原型运行过程中如何实现重要信号的收集和分析。诊断涉及到监测点的指定及其实现，以及监测点数据的处理分析。在Verilog中指定监测点相对简单，因为有现在的工具-Synplicity的Idenfify。在Handel-C中还没有现成办法指定监测点。其指定和实现机制需要进一步的研究。可行的办法就是，行用DK把Handel-C描述的验证环境或设计编译成Verilog描述，然后再在Identify中指定监测点。实现就是在硬件上获得并表现这些监测点的信号，如把这些信号直接或者经过某种处理后输出到逻辑分析仪或PC主机。但这需要圆形硬件的支持。

大规模块设计需要多个FPGA实现。因此对于原型验证，需要把设计划分到多个FPGA上实现。比较快捷的方法是：先用DK把Handel-C设计编译为Verilog描述，然后用Synplicity的设计划分工具Certify划分，最后用Xilinx公司的布局布线工具生成配置数据。也可以进一步研究如何划分Handel-C设计。改进的SoC/IP原型验证流程及所用的软件工具如图4所示。

为了支持原型验证的诊断能力、实现大规模SoC设计的原型验证，设计了一款全新的原型电路板，其功能示意图如图5所示。电路板使用三个FPGA，采用环形互连结构。原型FPGA之间的互连便于设计在两者之间划分。而接口FPGA与两者之间的连接则用于对设计内部接点实现监督，对配置数据进行下载。接口FPGA外接六排存储器（32位SRAM），因此每周期最多可以并行监督192个内部信号。运行过程中，监测点的信号值直接存入SRAM。主机以DMA方式读取SRAM中的信号值，从而实现软件读取原型硬件运行过程中的数据，开发工程师可以像在模拟环境中一样观察分析自己感兴趣的信号。这就部分解决了长久以来困扰硬件仿真或原型的问题（诊断能力很差）。如果监测点的信号数据量很大，无法通过PCI总线实时传送到PC主机或分析困难时，可在接口FPGA中进行处理，数据处理之后再传送过去。但有时用逻辑分析仪分析信号更适合也更方便，因此电路板上还设计了一个逻辑分析仪与接口FPA连接的插槽。该原型电路板支持两种扩展方式：电路板扩展和插件扩展。电路板扩展就是在系统的PCI总线中加入更多原型电路板，以骓更大模块的电路。此时，电路板之间可采用速度可高至射频的高速连接总线，PCI总线只是用来实现控制和诊断。扩展插槽中可以插入不同的小尺寸外设以及数模/模数电路板，以扩展原型系统的原型能力。Rocket I/O接口支持射频模块的接入。

SCSD可以加快SoC原型验证的描述和实现，但无法实现诊断和设计的划分。本文在数次试验的基础上，提出了改进的原型实现流程，并重新设计原型电路板。然而，这只是为SoC原型验证系统的开发找到了一个很好的方向，并作了一些基础性的研究工作。要实现它，还有很多工作要做。

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