SoC系统级设计方法与技术

摘要：介绍了以Y图为中心的系统级设计方法研究主题，从软硬件协同设计技术、设计重用技术以及与底层相结合设计技术3方面探讨了系统级关键设计技术的研究进展。从设计方法和技术路线上，将当前的研究工作归纳为基于SpecC自顶向下细化求精的设计方法、基于组件多处理器核SoC自底向上搭积木的设计方法和基于平台上下结合分而治之的设计方法3类。在此基础上，对各类方法的基本思想、描述语言、设计模型和关键技术等进行了分析与对比，并给出了该领域存在的研究问题及其今后的研究方向和重点。

关键词：电子设计自动化；系统芯片；系统级设计方法学；知识产权核

IC制造技术的发展为IC设计技术提供了强劲的支持，集成度增加、器件尺寸缩小、硅片面积扩大、时钟频率提高和驱动电压降低，使得设计人员能给用户提供功能更强而体积更小、功耗更低、价格更便宜的芯片，从而为系统芯片(systems-on-chip，SoC)的出现奠定了基础。确切地说，SoC设计技术始于20世纪90年代中期，当时IC设计者已经将愈来愈复杂的功能集成到单硅片上，SoC正是在IC向集成系统转变的大方向下产生的。1994年Motorola发布的FlexCore系统和1995年LSILogic为Sony设计的SoC，这可能是基于知识产权核(intellectual property，IP)完成SoC设计的最早报导。由于SoC充分利用已有设计积累，显著地提高了ASIC的设计能力，因此发展非常迅速，引起了工业界和学术界的密切关注。

从简单IC到复杂SoC，这一发展历程充分验证了由Intel联合创办人GordonMoore在1965年总结存储器芯片增长规律时，提出的“微芯片上集成的晶体管数目将以每18个月翻一番的速度增长”科学论断。后来人们把此发现称之为摩尔定律。从IC工业半个多世纪以来的发展历史不难看出，摩尔定律一直较为准确地描述着IC技术的发展方向。根据美国、欧洲、韩国以及中国台湾等地区的半导体协会于2005年共同撰写的国际半导体技术蓝图报告中的预测，在未来10年左右，虽然面临着接近物理极限的困难与挑战，IC制造技术仍将沿着摩尔定律的方向继续前进。

IC工艺技术快速提高的同时，与之相辅的IC设计能力和设计方法也在不断提升。电子设计自动化(electronic design automation，EDA)工具的出现使得IC设计能力大约每10年出现一次阶跃式的变革，有效地缩小了与工艺能力的差距。但IC设计能力始终赶不上其工艺发展水平，特别是在SoC设计环境下，它们之间差距越来越大。

面对SoC发展带来的挑战，IC设计技术一方面需要提供新的系统与物理设计方法和工具，以解决超深亚微米工艺下互连线延迟建模与估算、串扰与噪声消除、信号完整性、电源管理与降低功耗以及时序满足等一系列硅复杂性问题；另一方面，针对系统复杂性问题，IC设计迫切需要提高设计抽象层次，加快设计进程，缩短研发周期，改善设计效率，以弥补设计能力与制造能力之间的鸿沟。

对系统级设计方法和技术的研究是目前SoC设计中共同关心的重要问题，对于高层设计自动化中综合算法和设计空间探索的开发和评估具有重要的意义。

SoC设计方法学研究

一般而言，SoC系统都具备强大的数据处理和存储能力，能适应于一类典型的应用功能和性能要求；同时，它还应当具备灵活的软硬件可编程能力。软件的可编程性体现在基于同一种类型的体系架构下，充分发挥软件本身的适应性和可重用性，减小更改硬件所带来的开销，提高设计速度。硬件的可编程性在于通过对应用特殊功能定制满足性能要求的专用加速器，充分利用硬件本身的便携性和可扩展性，减小研发软件而带来的费用，缩短设计周期。因此，SoC设计应该是一个软硬件协同设计的过程，这也是SoC系统一个非常重要的标志。

传统设计方法使得在软件和硬件之间很难进行早期的平衡和优化，并有可能严重影响开发成本和开发周期。因此，引入系统级软硬件协同设计方法已经成为IC设计领域极为迫切的任务，连接系统级和电路级的中间这一部分将是软硬件协同设计最为关心的内容。

基于Y图的研究
纵观IC发展史，设计者通常采用抽象的方法来解决由于IC制造技术的每一次进步所引发的新问题。但真正对抽象层次和抽象方法进行形式化的定义源于Gajski的文献[5]，之后他在文献[6]中再一次深刻探讨了基于Y图的设计理论，明确地将IC设计分为系统级、寄存器级、逻辑级和电路级4个不同的层次级别。图1所示为Y图的表示内容，其中3个方向轴分别代表相对独立的视图领域：行为、结构和几何；而每一个同心圆则代表同一个设计层次在不同领域的表示。对同一层次而言，在行为领域中最高级别是系统级，它由系统级模型组成；在结构领域中，表示同一系统概念则是由微处理器、内存等具有粗略结构化信息的对象组成。

图1中虚线延伸了原图中同心圆的意义。虚线。覆盖了系统级设计的研究内容，从系统行为描述开始，通过软硬件协同设计，利用高层分析、仿真与综合技术，转换为系统实现结构表示；同时，由于SoC系统一般采用超深亚微米技术，底层物理信息对高层设计具有指导性意义，因而现在系统级设计往往与底层设计交融在一起，以解决缺乏物理信息而导致电路设计不收敛问题，虚线2，3则表明这种设计思想。系统设计过程最早期就能同时考虑与权衡系统的软件和硬件，以利于系统整体性能的优化和排错，因而可以大大地降低开发成本，缩短设计周期。针对SoC系统级设计，另外一个众所周知的Y图设计方法由Kienhuis于1997年首次提出，并在其博士论文中进行详细讨论。如图2所示，Y图将系统设计分为应用功能和体系结构2个独立的方面。基于映射方法，将计算与通信、行为与结构有机地结合起来，得到可执行的系统性能描述。基于3种启发式策略，重写或修改应用方案(与计算相关)、改进体系结构(与通信相关)和使用不同映射策略，反馈各项性能指标，用于指导前期的设计。这种方法通常也被称为基于迭代改善的启发式设计方法。

图1　Gajski提出的Y图设计方法

图2　基于性能分析的Y图设计方法

与Gajski提出的Y图相比，文献[7]的核心设计思想是以性能分析为中心，以定量数据为依据，帮助设计者作出正确的设计决策。它更加适应于系统级，完全遵循在SoC设计中计算与通信、行为与结构相分离设计原则。

面向SoC系统级的主要研究
在SoC设计越来越复杂的驱动下，人们需要重新审视已经熟知的设计方法，必须提出一套符合新的设计思路、新的工艺环境、严格的时序要求以及高的性能标准的设计方法。在探索SoC设计方法进程中，首当其冲的是系统级设计方法学的研究，因为它获得了来自学术界、工业界以及不同行业的重视，是未来芯片设计中的最要砝码。当然，它也是最具挑战性的内容。

图3所示为面向SoC系统级设计的主要研究内容，包括软硬件协同设计技术、设计重用技术以及与底层相结合设计技术，三者相辅相成，相互促进。软硬件协同设计技术常与设计重用技术交织在一起，成为目前SoC系统级设计的主要部分。而与底层相结合的高层设计技术是在现阶段由于制造工艺不断进步进入纳米级环境的前提下，提出的一种能有效地解决高层综合和物理设计不匹配导致设计不收敛问题的新技术。

图3　SoC系统级研究内容

SoC系统级设计关键技术

软硬件协同设计技术
软硬件协同设计理论起源于20世纪90年代初，最初主要面向嵌入式系统设计领域。在经历了10多年的发展之后，现已逐渐形成其理论体系框架。一般来说，面向SoC的软硬件协同设计理论是从一个给定的系统描述着手，通过有效地分析系统任务和所需的资源，采用一系列变换方法并遵循特定的准则自动生成符合系统功能要求、符合系统约束的硬件和软件架构。在经历长期的理论探索后，SoC的软硬件协同设计将迎来高速发展的时期。目前，在软硬件设计中最为活跃的研究工作包括系统描述、软硬件划分、软硬件协同综合以及软硬件协同模拟与验证。

1)系统描述
系统描述的目的是在最高抽象层次上利用某种高级语言，如CPC++，SystemC或统一建模语言等描述整个系统行为，获取用户功能需求和约束要求，以便在详细设计开始之前，验证需求分析的正确性；同时进行必要的性能分析，作为后续设计的基础。系统描述独立于后续的实现过程，可以仿真运行。系统描述的研究内容主要包括描述模型与描述方法。描述模型主要研究适合描述系统行为与功能的抽象模型。常用的系统描述模型有离散事件模型、有限状态机模型、通信进程网络模型、Petri网模型、任务流图模型、控制数据流图模型等几大类，每一大类中还包括若干针对需求的变种。

描述方法是指在描述模型基础上具体的描述手段，通常使用系统级描述语言并辅以一定的图形输入支持。系统级描述语言的选择需要考虑语言的描述能力、配套的验证手段(编译和仿真运行环境)以及与后续设计阶段的衔接等问题。

2)模型形式化规范、细化与变换技术一般而言，一个复杂系统具备3个特性：a。并发性。系统功能可以很容易地被描述为并发行为的集合；b。层次性。层次化的模型适用于描述较大系统，便于模块功能的管理与设计，大大地简化系统的开发；c。时序与通信：时序信息能有效地说明系统功能之间的偏序关系，而通信则描述了系统间的相互协作与行为功能。

为了能更好地反映系统特性，系统模型通常需要采用形式化规范，应用逐步细化求精的思想，实现可变粒度的层次化任务描述能力，并通过控制机指导控制相关性，捕获其并发性、时序与通信关系；同时将系统模型与底层实现相关联，通过一系列的细化与变换规则，完成功能任务到实现的映射，支持快速生成系统原型，有利于在系统级进行功能验证与性能评价。

3)软硬件划分

软硬件划分是在系统描述与建模层次的分析结果上，将系统功能合理地划分为软件和硬件实现部分，使系统性能与成本最优，它是软硬件协同设计中的一个重要课题。划分结果力求提高速度、缩小面积、降低成本、减少功耗。但软硬件划分是一个传统难题，由于划分问题本身是具有NP难度的问题，加上SoC带来的巨大搜索空间，使情况更为严峻。

4)软硬件协同综合
软硬件协同综合是利用设计中的各种资源(如系统模型、软P硬件模块等)生成最优的通信体系结构，实现从功能到结构再到实现的转换，同时满足系统性能与代价约束。这种转化的结果应以软硬件划分为基础，在已有的设计规则和既定的设计目标前提下，决定系统中软件部分的具体实现方案和硬件部分的详细设计实现。软硬件协同综合的主要内容包括通信体系结构综合、接口综合、软件综合以及硬件综合。
通信体系结构综合分为3个部分。a、定义一个通信拓扑结构，它是专用通道和共享总线组成的一个通信网络，可能包含连接不同子网络的桥；b、映射被划分后的系统行为中抽象通信事件到上述拓扑结构中的相关路径；c、选择或自定义通信路径上的协议。这3个任务实现了对划分后目标体系结构的扩展，它是以仿真运行获得的性能结果为基础的，为后续的设计提供了指导性的信息。接口综合是实现具有不同协议(或不同通信机制)的多个模块之间的无缝互连和平滑通信。接口综合分为硬件与硬件、硬件与软件以及软件之间的接口综合。硬件接口综合工作主要是产生接口电路、胶连逻辑或是通信协议转换器；而软件接口综合则是生产与硬件平台相关的各种驱动程序、底层例程访问程序和中断向量等。软件综合是编译软件代码生成可在选定处理器上执行的目标文件，同时定制实时操作系统，以完成与外界的交互。硬件综合是利用高层次和物理综合技术完成硬件设计。

5)软硬件协同仿真与验证
软硬件系统仿真的目的是在硬件生产出来以前，通过仿真(模拟)的手段验证软硬件集成方面的问题。软件模拟和硬件仿真都存在不同的抽象层次，抽象层次越高，模拟速度越快，但反映的细节也越少。目前对低层次仿真的研究比较成熟，其一般模式是软件调试环境、微处理器模型和硬件RTL描述的协同仿真，它可以在尚未生产出硬件之前对虚拟模型进行一些早期的调试，并为软件调试提供虚拟平台。

软硬件协同验证的目的和协同仿真的一样，都是希望在设计的早期验证系统软硬件的正确性，特别是功能的正确性和性能的满足性。然而，验证基本是通过形式化的方法，如数学方法、布尔逻辑理论来推理其系统的正确性。目前，对软硬件协同验证的研究还处在一个初级阶段，还有很多问题等待研究人员去探索

设计重用技术
SoC的集成度越来越高，投放市场的时间要求越来越短，为了实现满足一定功能需求和性能要求的系统，设计者越来越依赖于重用技术的支持。SoC的设计重用技术主要可分为基于IP的模块级重用和基于平台的系统级重用。

1)基于IP的重用技术
缩短设计周期的一种方法是重用预先设计并经验证的模块，这种模块可以是自行设计好的，也可以从第三方购买，因此被称为IP。随着基于IP的设计复用迅速发展，已成为SoC设计的关键支撑技术。基于IP的设计重用主要包括IP的设计和IP的使用。IP的设计目标是实现即插即用，但目前离这个目标还有较长的距离。IP的设计除了需要考虑具体功能之外，还要考虑可重用、可测性及测试可重用性。IP质量是IP最重要的因素之一，IP必须是可重用、可配置和可升级的，而且IP升级应符合可重用标准，以确保升级后IP的可重用性。

2)基于平台的设计重用
基于平台的设计(platform-based design，PBD)是目前面向SoC设计中一种比较流行的方法[9]，但是对于“平台”的定义没有一个统一的标准，不同的组织有不同的定义。虚拟插座接口联盟将平台以及基于平台的设计定义为：平台是一组关于虚拟组件与体系结构框架的库，在平台中包含一些可集成的并且预先验证的软硬件IP、设计模型、EDA工具与软件配套工具、库单元等，同时定义了一套通过体系结构探索P集成P验证支持快速产品开发的设计方法学。基于平台的设计是一种面向集成、强调系统级重用的设计方法，目标是降低开发风险和代价，缩短产品上市的时间。
基于平台的设计重用是近几年提出的设计重用方法，它是基于IP设计重用技术的扩展，延伸了设计重用的理念，强调系统级重用。基于平台的设计方法要求提供面向特定应用领域的设计模板，设计者通过对设计模板进行适当的修改来构造符合性能要求的SoC系统。

与底层相结合的设计技术
1)与底层相结合的高层次综合技术高层次综合技术自问世以来，受到了广泛的重视。大量的研究人员和EDA公司都在高层次综合技术方面开展过相关工作。但是，由于高层次综合问题本身的复杂度及难于形式化特点，其技术本身还停留在研究阶段，现有高层次综合工具进行自动综合的结果，还远远不能和设计人员手工获得的设计结果相比。

由于制造工艺的进步，高层次综合所面临的问题也更加复杂，特别是在物理寄生效应已经成为电路性能和成本的主导因素的今天，高层次综合不仅仅需要考虑传统的调度、分配和控制器综合内容，还需要考虑物理寄生效应，这给高层次综合的形式化增加了很大难度。当前，高层次综合技术的研究热点是高层次综合和物理设计的结合，从而可以在高层次综合阶段考虑物理寄生效应，进而解决综合和物理设计不匹配而导致的设计不收敛的问题。与底层结合的高层次综合技术主要包括时延驱动的高层次综合技术、与底层结合的高层建模与分析技术、高层低功耗设计技术。

2)可重构计算技术
可重构计算技术是一个新兴的研究领域，它以可编程逻辑芯片为硬件基础，完成应用功能的设计。其最为突出的一个特点是能根据应用的需求动态配置电路的实现形式，具有灵活的软件编程性，同时具备ASIC的高性能。因此，即使是不同的应用，在同一可重构计算硬件平台上也能获得非常高的计算加速比。

目前，可重构计算技术主要在以下几个方面开展研究：支持可重构计算设计语言的研究，面向可重构计算技术专用编译工具的开发，针对可重构计算系统硬件特性的优化技术研究，实时动态重构技术的研究。

SoC系统级设计方法

1999年，ASICPSOC学术年会的召开标志着IC技术研究从以ASIC为主转向了以SoC为主的研究。2003年，软硬件协同设计研讨会和系统综合研讨会ISSS的联合召开，标志着软硬件协同设计与面向SoC系统设计与综合方法研究的融合。软硬件协同设计已广泛地应用到SoC设计之中。

除此之外，IEEE计算机辅助设计学术年会(IC2CAD)和设计自动化学术年会(DAC)，欧洲设计自动化与测试学术年会(DATE)，亚太设计自动化学术年会(ASP2DAC)，一直以来有相当多的文章讨论嵌入式系统设计、软硬件协同设计和SoC设计的相关问题。

国外SoC设计方法相关研究

SoC系统级设计方法学在国外的研究十分活跃，许多研究机构、大学都开发了适应于SoC系统级的设计工具，并提出相应的设计流程和设计方法。一般来说，这些方法基本采用层次化的设计思想和正交性的设计原则来完成系统级设计。其中，美国加州大学Irvine分校，Berkeley分校，Princeton，SanDiego，Stanford和UCLA等著名大学的研究成果居于世界前列；欧洲的法国TIMA实验室、荷兰Leiden大学、德国RWTH-Aachen大学、瑞典Linkpings大学以及丹麦技术学院的研究成果也尤为突出；亚洲的日本STARC半导体研究中心和韩国汉城国立大学也开展了相关研究，并取得了较快的进展。

目前，在学术界和工业界比较认可的SoC系统级设计方法学中，从表现形式和实现方式上基本可分为三大阵营：自顶向下、自底向上和上下结合(或中间相遇)。这三大阵营分别由3个研究团体提出的相关方法和技术支撑：美国加州大学Irvine分校嵌入式系统研究小组的基于SpecC的逐层细化求精设计方法，法国TIMA实验室系统级综合小组的基于组件的多处理器核SoC设计方法，美国加州大学Berkeley分校CAD研究小组的基于平台的设计方法。下面将对这几种较为典型的方法进行分析与讨论。

1)基于SpecC的逐层细化求精设计方法由美国加州大学Irvine分校Gajski教授领导的嵌入式计算机系统中心针对软硬件协同设计的特点，提出一种系统描述语言SpecC，并以此为基础开发了一个SoC协同设计环境。该系统采用逐层细化求精的设计思路完成从系统层描述建模，经过体系结构和通信模型细化，再映射到寄存器传输级实现模型上的转化。这是一个典型的自顶向下的设计过程。

2)基于组件的多处理器核SoC设计方法
由法国TIMA实验室Jerraya教授领导的系统级综合研究小组，针对多处理器核SoC系统体系结构(multi-processor SoC，MPSoC)，提出了一个基于组件的设计方法(component based design，CBD)。该方法能自动生成符合特定应用要求的多处理器体系结构，为异构SoC设计提供了一个非常实用的设计环境。

3)基于平台的设计方法
由美国加州大学Berkeley分校Sangiovanni教授领导的电子系统设计中心首先提出PBD方法。PBD方法强调系统级重用，它不仅重用以往的设计结果，而且重用其设计过程。PBD方法的另一特点是强调设计过程中功能与结构分离、计算与通信分离，即设计要素正交化。一般来说，平台设计就是一种抽象方法，它覆盖了一系列细化到低层的设计过程。每一个平台都有一个可配置的视图，它将上层任务映射到已定义好的抽象平台；另外，每一个平台又有一个可编程的视图，它能定义一类更低抽象层次的特性。

4)基于虚拟组件P核的设计方法
由IBM公司Reinaldo等在2000年的DAC会议上提出了一种基于虚拟组件的设计方法。该方法允许在高级抽象层次设计SoC，同时利用虚拟组件封装实际底层模块属性的技术，实现更容易创建和配置SoC系统的目的。这种方法和技术在一定程度上类似于基于组件的MPSoC方法。

另外一个极力推动虚拟核设计方法的是日本半导体技术学术研究中心，该中心研发的基于虚拟核设计系统为SoC系统级设计方法提供了另一种新颖的解决方案。它重点研究、构建虚拟核平台的相关技术，以支撑一整套基于虚核的设计方法学；同时，虚拟核平台技术不仅为该设计流程提供了程序接口，而且能使RTL的新模块反向设计成为可被利用的虚核。这种技术的好处在于通过不断地完善、丰富虚核数据库，来支持更多的基于平台的设计实例，提高了设计灵活性。

5)开放的OSCI组织
由行业内一流的EDA公司、IP提供商、半导体制造商及嵌入式软件设计公司于。999年9月联合创建了开放的SystemC推动组织(opensystemCini2tiative，OSCI)，并推出了基于C++的系统级设计语言——SystemC。该语言实现了硬件描述的并发性和模块化的本质特点，通过使用软件领域中面向对象的方法和概念，可以方便地实现硬件的描述和IP的复用。

表1所示为系统级设计方法的技术路线特点和关键技术分析。表2中比较了3种典型设计方法的优缺点，并给出了相关局限性说明。

表1　系统级设计方法的技术路线特点和关键技术分析

表2　3种典型设计方法分析与比较

国内SoC方法相关研究
国内软硬件协同设计的研究开展得稍晚一些，但从一开始就遇上了SoC技术的机遇，发展比较迅速。不少大学、研究机构以及相关企业都有研究小组和实验室从事这方面的研究。
上海复旦大学、东北大学计算机软件国家研究中心、国防科技大学计算机学院、中国华大集成电路设计中心、中国科学院微电子中心、清华大学微电子所针对SoC设计中的特定问题也开展了相关研究，并取得了较好的成果。

由于SoC设计涉及到半导体、电子工程和计算机等技术领域，复杂程度很高，加强合作成为国内各研究机构的共识。2000年，清华大学、北京大学、浙江大学与美国加州大学LosAngels分校、Santa Barbara分校的研究小组联合成立了国际系统芯片研究中心，开展面向SoC设计自动化技术研究。该中心由中国国家自然科学基金委员会(NSFC)与美国国家科学基金会(NSF)在合作协议框架下进行资助，发展迅速，成为这一领域亚太地区重要合作中心之一。

总的来说，虽然国内研究现状与国外相比有一定差距，但发展势头良好。国内与半导体和计算机技术相关学术刊物和会议上有关SoC设计和软硬件协同设计方面的文章近年来不断增加。设计自动化领域顶级国际会议ASP-DAC2005在上海召开，表明国内在SoC和软硬件协同设计研究方面开始追上国际水平。

结论

3C(计算机、通信、消费类电子产品)时代的来临，以及网络技术的快速发展与推动，在很大程度上改变了现有IC产业的运作模式，促进了全球化面向SoC设计与生产浪潮。特别是以系统级设计技术和方法为中心的芯片系统经过近几年的研究与应用，在各个关键技术上也取得了惊人的进展，出现了很多研究原型系统和商品化软件。但其总体自动化、集成化、实用化水平还不太高，大都停留在研究实验阶段，还不能大规模地应用到生产实际中来。通过对SoC设计需求以及系统级设计方法和关键技术研究现状的分析，本文得出以下结论：
1)总的来说，软硬件协同设计以及相关的设计方法学还处于一个发展初期，许多关键技术问题仍未得到有效的解决办法，还不能形成具有普遍适用性的软硬件协同设计理论体系；
2)由于系统综合问题固有的复杂性(系统抽象模型不能有效地描述应用，搜索解空间巨大，约束条件难以表述，底层设计信息不完备等)，目前系统层次的自动综合技术仍处于理论探讨阶段，自动工具仍然不能取代有经验的设计者，以系统综合为核心的软硬件协同设计尚不实用；
3)随着系统级设计语言逐渐成熟，它在SoC设计中将发挥更加重要的作用；
4)基于平台和基于IP的层次化设计不仅加大了设计重用的规模，而且提高了设计的生产效率，目前它已经成为系统级设计研究的重点，在未来的设计中将占据更加重要的地位；
5)通信体系结构的综合将成为SoC系统设计中的一个研究重点，片上网路与多核片上系统也将进一步得到发展，不仅在于体系结构的好坏极大影响了整个设计系统的性能，而且在于它能有效地支持基于平台的设计方法；
6)SoC设计解空间相当大，必须寻找一条更快更准确的优化方法完成系统级的设计，因此设计自动化中系统级相关技术和算法的研究仍然是热点，它们将使设计工具更加合理化、高效化。