基于可配置處理器的嵌入式系統ESL設計需求

近年來，越來越多的嵌入式系統和SoC開始轉向使用可配置處理器技術,這樣既可以縮短產品開發周期，又可使設計更加靈活，甚至流片后仍可以修改部分功能。這要求處理器設計不僅能靈活重用已有設計，同時又要高效，對于特定應用具有很好的性能，并在符合性能、功耗前提下，能夠直接替代硬連線邏輯模塊。目前ESL工具對處理器的不同配置和擴展已經有很好的支持，但針對于像多核SoC（MPSoC）這樣的復雜設計，ESL工具還很難滿足設計需求。我們可以將通常的ESL領域劃分成5個主要部分：

* 算法設計與實現

* 行為級綜合

* SoC架構設計、仿真及分析

* 構建虛擬系統原型

* 功能-架構協同設計

算法設計工具允許用戶對算法進行描述、仿真，并且可以生成算法實現流程的代碼描述。比如Mathworks的Matlab和Simlink就是這種工具。目前大部分的工具是使用面向數據流或數據密集型算法進行建模，但是也有一些工具，如Mathworks的StateFlow，允許用戶使用有限狀態機對控制邏輯進行描述，并可實現自動生成C代碼。

行為級綜合工具是新一代基于C/C++或SystemC開發的工具，專門為滿足算法和軟件工程師而非硬件工程師的設計需要而開發的。由于使用C/C++，因此仿真速度比使用傳統的RTL方法有了10~1000倍的顯著提高。這也為系統硬件、軟件和算法的聯合仿真開辟了一條新道路。

用戶通過SoC的架構設計工具使用傳統總線，標準嵌入式處理器庫(如MIPS或ARM)，以及其他的一些組件(如存儲器，特殊的硬件模塊和外設等)來構建SoC系統。之后便可以對整個設計進行仿真，通常使用SystemC或C/C++描述的指令集仿真器(ISS)和外圍硬件模塊聯合仿真。這樣便可分析得到一些系統級的特性，如總線負荷、競爭，內存訪問，處理器負荷等。這些工具可以從CoWare，ARM，Synopsys等公司得到。

虛擬系統原型工具提供單核或多核SoC平臺的仿真模型，可以以數十MHz的速度仿真實際系統。系統架構師需要在這樣的平臺上運行大量的測試序列，并得到系統性能分析的結果，軟件開發人員也可在接近實際的仿真模型中測試他們的嵌入式軟件。

但現今提供的商業ESL工具沒有一種可以在更早的階段幫助工程師決定系統的基礎架構，例如決定整個系統需要使用處理器的數量和種類；需要設計專門的通信機制還是使用傳統的分級總線；如何將應用程序劃分成多個任務，并分配到不同的處理器上運行；如何有效的探索各種可能的設計方案等。現在的SoC架構設計工具和ISS要在體系架構確定后才有用武之地。

今天的設計要比上世紀90年代末處理器加硬件模塊的結構復雜許多。從最小、最簡單的手持無線設備到標準的、帶有語音視頻處理功能的蜂窩電話，直至非常復雜的電子設備，當今的技術已經可以把多顆處理器、多片存儲器、復雜的片上通信總線網絡，以及由相當可觀的硬件模塊組成的協同工作子系統集成到一顆SoC中。同時應用軟件也愈加復雜，數百萬行代碼組成的系統軟件已是司空見慣了。因此，使用傳統方法進行體系結構設計變得日益困難，這一切都使得ESL設計方法學變得越來越必要。尤其是當可配置處理器代替傳統的固定指令集處理器，可能的設計方案越來越多時更是如此。

定制指令集處理器(ASIP)

基于特定應用定制指令集處理器(ASIP)，這一概念在嵌入式系統設計中變得越來越重要。ASIP的設計方法學和開發工具也在學術界和IP設計領域被提及，并且許多商業的ESL工具已經提供了類似的處理器和協處理器綜合工具。處理器的指令集大都采用一種中間形式進行描述。Tensilica提供的XPRES工具也提供這樣的功能，由Tensilica定義的TIE語言描述的，并且工程師可以應用這種語言，進一步手動優化處理器的特定配置。

如果SoC的設計是要通過單顆CPU實現，也許再增加一些硬件加速器來提升性能，那么現在的這些工具和設計方??就已經足夠了。但事情并非如此簡單，如今已有很多的SoC設計使用了至少兩顆處理器(一顆是做控制的RISC，另一顆是進行數據處理的DSP)，并且下一代SoC設計正朝著6~10顆處理器這一方向前進。在這種情況下，目前顯然缺乏設計方??和工具來支持這樣的設計。

使用可配置處理器搭建MPSoC系統

當使用多顆處理器尤其是使用可配置處理器來設計SoC時，將會遇到一些關鍵問題，包括：

* 一個或一組應用需要使用多少顆處理器

* 應如何配置、擴展這些處理器

* 處理器采用同構方式還是異構方式

* 處理器之間如何通信？采用標準總線，還是片上網絡(NoC)，采用點到點方式，或是多種方式的組合。

* 如何選擇正確的并行模式，是流水線還是多線程？

* 工程師如何從應用程序中提取可并行執行的任務？又怎樣分解他們？

* 在可配置處理器，多處理器，新的通信架構以及內存選擇等多種可供選擇的技術下，如何能得到多種設計方案并進行對比？

* 在90nm以下的工藝流程上，如何從10個處理器的設計擴展到100個，甚至1000個處理器？

如今EDA供應商所提供的ESL工具還不足以解決這些問題。可配置處理器IP廠商的工具提供了以下流程幫助工程師進行設計：從已有的應用程序或算法的軟件代碼開始；分解成多個同步處理進程；將各個進程分別映射到已經優化過的處理器上，這些處理器之間有著理想的通信網絡；迭代處理器定義和進程映射；分析處理器間通信網絡的需求；設計并行控制和調度模塊；涉及通信網絡(包括存儲器、總線、隊列等)；分析結果并且迭代其他可能的配置；反復迭代優化直至實現滿足設計需求的MPSoC系統；實現軟件/硬件的具體設計。

這種自上至下、以應用需求為驅動的設計流程，在一些MPSoC子系統的應用設計中是非常適合的。尤其是當需要一個全新的功能，或者之前的系統設計方案不足以支持新標準應用程序的開發時，這種從設計需求和應用程序的特征出發進行設計的方法，往往可以得到最優的解決方案。使用這種方法定義系統的體系架構時，通過模擬、分析，并迭代得出使用處理器的種類和數量，內存的層次結構以及通信子系統等等是非常有效的。

MPSoC ESL設計方法需要提供很多功能，這些需要包含在集成開發環境(IDE)中，如系統建模，程序映射，各種設計方案對比，以及對可配置處理器的配置修改。

IDE是最引人注目的部分。Eclipsez作為一個開源軟件，對擴展已有的軟件工具、器件、調試軟件都有很好的支持，而這些功能可以使得MPSoC ESL設計在更抽象的層次上進行。比如可以在Eclipse中加入處理器創建、擴展的用戶配置界面，將用戶的配置轉化成基于某種特定語言描述的指令擴展，之后交給外部的特定編譯器進行編譯。因為這一擴展被編譯成RTL級的描述，在這種意義下可以使用IDE定制和實現一個軟硬件系統。

IDE軟件提供的項目編輯功能可以支持設計輸入、修改、映射到特定處理器等操作。同時還要能夠配置處理器、內存、通信接口、總線以及外設等設備，用以搭建一個完整的系統。IDE還需要支持系統級仿真，可以裝載處理器的ISS，能夠裝載整個系統的仿真模型，靜態或動態的追蹤系統級上發生的事件，能統計處理器的執行狀況并記錄數據，并通過圖形界面向用戶顯示。并需提供分析工具，使得用戶可以方便得到傳輸延遲、資源競爭、處理器等待、內存的使用狀況，以及處理器數據讀取的平衡狀況等系統級信息。

IP的參數(meta-data)和一些臨時信息需要使用標準的格式來存儲。近來XML格式被廣泛的使用到工具中，如Mentor Graphics的Platform Express等等。基于XML格式排版的文件很容易被擴展，解析和生成，所以是一種描述存儲系統架構和參數的極具吸引力的方法。

有了系統架構的信息，也有了標準格式的ISS模型，便可以生成系統仿真模型用于系統測試。許多已有的ISS支持在SystemC環境中運行，這樣便可以和總線模型、內存模型、硬件模塊模型、外設模型等其他系統模型在事務級上進行互聯、仿真。TLM在ESL方??中是一個非常重要的概念，但到目前為止還沒有為TLM上的互操作定義標準。由于沒有一個可用的OSCI TLM標準，考慮到OSCI工作的不透明性質和其缺乏一個發展的路線圖，ESL世界里的系統仿真必須繼續依賴于IP提供商提供的可供互聯的適配器和用戶自己對“事務”這一概念的理解。

快速功能仿真，有時也被稱為“虛擬系統原型”，是對周期精確型的TLM模型的重要補充。周期精確型的TLM模型允許對系統運行時的細節進行分析，每秒鐘只能運行數千個周期或再多一些，而快速功能仿真則可以數百萬個周期每秒的速度運行，這對軟件的開發有著特別的意義。

可配置處理器是高性能MPSoC系統的核心，通過擴展指令的自動生成技術使得在設計的最后階段仍可修改系統配置。通過在設計的早期階段自動生成的配置和擴展ISA，可將最初的任務映射到這個處理器上，當處理器發生變化，任務需要重新被映射時，該過程可以快速反復迭代進行。通過手動對設計進行改善，最終可以通過提高進程效率，從而降低處理器頻率，達到設計目標。自動生成的軟件工具鏈(包括編譯器、ISS、調試器和IDE擴展功能模塊)允許對處理器的每一個修改都可以反映到整體系統中。

本文小結

復雜的多顆可配置處理器組成的嵌入式系統設計對現今的ESL工具提出了更高的要求，這些需求似乎更像是應該由IP供應商來提供，而不是EDA工具廠商。雖然仍可以使用通用的ESL工具，但具體的流程和特定工具都將是與所使用的IP直接相關的。