用SoC實(shí)現視頻圖形引擎功能的研究

摘要：結合實(shí)際方案對目前國內研究熱點(diǎn)的SoC設計進(jìn)行一些討論，主要對系統集成、算法與系統芯片結構、可測試性設計等方面進(jìn)行一些相關(guān)探討。采用基于A(yíng)ltera的SOPC系統級芯片XA10，實(shí)現圖形引擎功能；利用SoC平臺化設計，以達到快速進(jìn)入SoC設計領(lǐng)域的目的；希望從用戶(hù)角度入手，逐步深入SoC的IP集成特性和AMBA技術(shù)以及軟硬件聯(lián)合設計等。

引言

目前，國際上幾乎所有的半導體廠(chǎng)商及其相關(guān)領(lǐng)域的高科技公司都在進(jìn)軍SoC及其應用產(chǎn)品市場(chǎng)，像Atmel、Xilinx、Altera、Triscend、IDT、Genesis、Cygnal、Cypress等；而國內，由于在原來(lái)分立標準器件的IC設計時(shí)代處于落后的狀況，因此迫切希望在IC設計的第3次革命來(lái)臨的時(shí)期趕上來(lái)。但是由于國內基礎薄彈，工藝線(xiàn)缺乏，目前所做的研究，以偏于理論性的研究和構架的居多，而實(shí)際研究經(jīng)驗相對較少�？删幊滔豢膳渲肧oC技術(shù)的出現，使我們有機會(huì )進(jìn)入構造芯片技術(shù)結構的領(lǐng)域。因此我們迫切要做的事就是，從事實(shí)際SoC應用產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制，進(jìn)行電子信息產(chǎn)品核心SoC技術(shù)研制開(kāi)發(fā)與實(shí)現。在這些研究實(shí)際工作中，逐步深入開(kāi)展關(guān)于SoC的EDA工具算法研究與實(shí)現以及SoC核心技術(shù)IP的研究與實(shí)現。而目前可編程的SoC芯片及其開(kāi)發(fā)平臺都提供了較理想的SoC技術(shù)應用的開(kāi)發(fā)工具套件。這些套件具有了一般的編譯、仿真、調試及驗證功能，同時(shí)還針對不同的應用，提供了豐富的IP軟核。因此，借助這些工具和芯片所提供的技術(shù)和方法，可很容易進(jìn)入SoC設計的應用領(lǐng)域。同時(shí)，系統集成可以說(shuō)是SoC設計的真正意義所在和主要設計瓶頸。因此，我們針對實(shí)際應用的設計策略是，一開(kāi)始就從系統方面考慮（當然在真正的SoC設計中必須考慮很多工藝集成的問(wèn)題，但主要可以靠IP及代工支持來(lái)完成），進(jìn)行一些實(shí)際SoC應用項目設計研究探索。

1 SoC平臺的概念及意義

SoC設計最主要的一個(gè)支撐技術(shù)是超深亞微米IC設計技術(shù)�？梢哉f(shuō)，它具有專(zhuān)用集成電路ASIC設計的復雜程度，但又和ASIC不完全一樣。它是以超深亞微米IC設計技術(shù)為基礎，是建立在超深亞微米IC設計技術(shù)上的系統級設計，是從半導體工程師到電子系統整機工程師的轉手。要實(shí)現這一轉變，就必須要有SoC平臺和EDA的支持（并且現在合同外包，代加工業(yè)發(fā)展迅速，IP新經(jīng)濟模式等無(wú)不順應了這一轉變需求）。

我們要想快速地進(jìn)入SoC設計行業(yè)就必須從這兩個(gè)角度入手。目前，SoC平臺主要有CSOC、SOPC、EPGA等。為了進(jìn)一步明確SoC平臺的概念，有必要首先搞清楚SoC的內涵和外延。我們知道，SoC的內涵和外延很自然地必須包括：實(shí)現復雜系統功能的VLSI；采用超深亞微米工藝技術(shù)；使用1個(gè)或數個(gè)嵌入式CPU或DSP；具有外部對芯片編程的能力。根據這些基本的外延，很自然地可得到SoC平臺的一些概念。其中CSOC稱(chēng)為可配置系統級芯片，一般包括1個(gè)處理內核、可編程邏輯陣列和其它一些通用組成部件。其應用主要以芯核為主。SOPC則可以是全部的虛據點(diǎn)核加上FPGA模塊，像Altera的NIOS內核模塊，而EPGA則是以FPGA為主的SoC平臺。這3者都符合SoC的外延概念。都可以說(shuō)是SoC的開(kāi)發(fā)設計平臺。這一市場(chǎng)中競爭的公司主要包括：Atmel、Quicklogic、Chameleon、Altera、Xilinx和Lucent等。利用這些現有的SoC平臺，SoC芯片不僅可以具有靈活編程的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具備系統芯片集成度高和價(jià)格低廉的優(yōu)勢。表現為：縮短開(kāi)發(fā)的周期，減少開(kāi)發(fā)費用；避免成本高昂的掩膜變更為重新投片；實(shí)現基于平臺的設計；允許設計人員快速、低成本適應標準的變化、或增加面向特定或應用定制的功能塊；在制造和質(zhì)量控制過(guò)程中，允許軟硬件驗證協(xié)同進(jìn)行；允許采用同一套掩膜設計多個(gè)不同功能的產(chǎn)品；允許將風(fēng)險較大的元件設計到EPGA中，讓某些功能在設計完成后才予以定型；在生產(chǎn)階段改變產(chǎn)品特性或功能以延長(cháng)產(chǎn)品壽命；容許在低端標準芯片中集成高端標準FPGA的功能，從而獲得高利潤。這種基于平臺的設計，可以使設計人員僅僅通過(guò)制造工藝與內核的接口來(lái)局部地關(guān)心制造工藝，而對內核予以更多的關(guān)注。軟硬件的協(xié)同可編程性，可以使設計人員更關(guān)注內核功能的設計，如對內核接口進(jìn)行標記，而不必關(guān)注制造工藝和硬件診斷，這就更符合系統設計的目標和要求。

過(guò)去，SoC項目設計必須需要20人以上的工程師團階，而現在由于軟件工具和半導體技術(shù)，以及各個(gè)大公司所做的工作，使我們可以用一個(gè)很精簡(jiǎn)的團階進(jìn)行SoC設計；而且SoC設計一般都是基于FPGA、微處理器和存儲器結構的，使得我們完全可以在SoC平臺上進(jìn)行SoC的初步設計。

2 研究開(kāi)展

根據現有的IC設計水平和基礎設施以及資金情況，必須很好地規劃我們的SoC設計策略。就研究的形式而言，首先必須是基于平臺的SoC設計，其次必須是應用引導為主的SoC設計，再次必須是多芯核片上總線(xiàn)的SoC設計，最后必須是以專(zhuān)用技術(shù)核心為主的IP式SoC設計。在研究過(guò)程中，必須利用好自己專(zhuān)用化的原有技術(shù)，達到滿(mǎn)足自己系統要求的目標；同時(shí)結合實(shí)際項目的研究，根據“Today's PCB is tomorrow ASIC.”的經(jīng)驗，借鑒PCB時(shí)代的系統集成設計概念，進(jìn)行SoC系統集成的研究實(shí)踐。也就是說(shuō)，首先是一個(gè)以系統集成應用的研究為主，然后逐步摸索SoC及EDA設計方法學(xué)和深化開(kāi)展自主IP技術(shù)的過(guò)程中。而就研究的工程管理來(lái)說(shuō)，有必要結合SoC的新概念設計，進(jìn)行實(shí)際應用的再工程設計過(guò)程和比較性設計。這幾點(diǎn)都是在進(jìn)行SoC研究計劃中所考慮的因素。

3 方案具體組成

根據前面平臺設計的概念，我們采用的SoC為初步定型產(chǎn)品XA10。它具惡JTAG接口、PLL時(shí)鐘、UART接口、計數器、看門(mén)狗、擴展存儲器接口、中斷控制器、調試測試跟蹤器、256KB皂SRAM、128KB皂DPRAM、APEX20K多芯FPGA嚓錫及ARM922T核處理器等。初始皂系統芯片構成如圖1所示。

由于塔SoC設計時(shí)，很多時(shí)候是一個(gè)算法與芯片結構、軟硬件結合的系統設計，因此，完全有必要針對視頻圖形引擎的應用，結合邏輯組成框圖來(lái)討論這一問(wèn)題。在視頻流處理中，數據傳輸和處理是兩個(gè)影響性能的關(guān)鍵部分（在視頻圖形