用SoC實現(xiàn)視頻圖形引擎功能的研究

摘要：結合實際方案對目前國內研究熱點的SoC設計進行一些討論，主要對系統(tǒng)集成、算法與系統(tǒng)芯片結構、可測試性設計等方面進行一些相關探討。采用基于Altera的SOPC系統(tǒng)級芯片XA10，實現(xiàn)圖形引擎功能；利用SoC平臺化設計，以達到快速進入SoC設計領域的目的；希望從用戶角度入手，逐步深入SoC的IP集成特性和AMBA技術以及軟硬件聯(lián)合設計等。

引言

目前，國際上幾乎所有的半導體廠商及其相關領域的高科技公司都在進軍SoC及其應用產品市場，像Atmel、Xilinx、Altera、Triscend、IDT、Genesis、Cygnal、Cypress等；而國內，由于在原來分立標準器件的IC設計時代處于落后的狀況，因此迫切希望在IC設計的第3次革命來臨的時期趕上來。但是由于國內基礎薄彈，工藝線缺乏，目前所做的研究，以偏于理論性的研究和構架的居多，而實際研究經驗相對較少。可編程匣可配置SoC技術的出現(xiàn)，使我們有機會進入構造芯片技術結構的領域。因此我們迫切要做的事就是，從事實際SoC應用產品的開發(fā)研制，進行電子信息產品核心SoC技術研制開發(fā)與實現(xiàn)。在這些研究實際工作中，逐步深入開展關于SoC的EDA工具算法研究與實現(xiàn)以及SoC核心技術IP的研究與實現(xiàn)。而目前可編程的SoC芯片及其開發(fā)平臺都提供了較理想的SoC技術應用的開發(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和方法，可很容易進入SoC設計的應用領域。同時，系統(tǒng)集成可以說是SoC設計的真正意義所在和主要設計瓶頸。因此，我們針對實際應用的設計策略是，一開始就從系統(tǒng)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題，但主要可以靠IP及代工支持來完成），進行一些實際SoC應用項目設計研究探索。

1 SoC平臺的概念及意義

SoC設計最主要的一個支撐技術是超深亞微米IC設計技術�？梢哉f，它具有專用集成電路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設計技術為基礎，是建立在超深亞微米IC設計技術上的系統(tǒng)級設計，是從半導體工程師到電子系統(tǒng)整機工程師的轉手。要實現(xiàn)這一轉變，就必須要有SoC平臺和EDA的支持（并且現(xiàn)在合同外包，代加工業(yè)發(fā)展迅速，IP新經濟模式等無不順應了這一轉變需求）。

我們要想快速地進入SoC設計行業(yè)就必須從這兩個角度入手。目前，SoC平臺主要有CSOC、SOPC、EPGA等。為了進一步明確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：實現(xiàn)復雜系統(tǒng)功能的VLSI；采用超深亞微米工藝技術；使用1個或數個嵌入式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稱為可配置系統(tǒng)級芯片，一般包括1個處理內核、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。都可以說是SoC的開發(fā)設計平臺。這一市場中競爭的公司主要包括：Atmel、Quicklogic、Chameleon、Altera、Xilinx和Lucent等。利用這些現(xiàn)有的SoC平臺，SoC芯片不僅可以具有靈活編程的優(yōu)點，同時又具備系統(tǒng)芯片集成度高和價格低廉的優(yōu)勢。表現(xiàn)為：縮短開發(fā)的周期，減少開發(fā)費用；避免成本高昂的掩膜變更為重新投片；實現(xiàn)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；在制造和質量控制過程中，允許軟硬件驗證協(xié)同進行；允許采用同一套掩膜設計多個不同功能的產品；允許將風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；在生產階段改變產品特性或功能以延長產品壽命；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制造工藝與內核的接口來局部地關心制造工藝，而對內核予以更多的關注。軟硬件的協(xié)同可編程性，可以使設計人員更關注內核功能的設計，如對內核接口進行標記，而不必關注制造工藝和硬件診斷，這就更符合系統(tǒng)設計的目標和要求。

過去，SoC項目設計必須需要20人以上的工程師團階，而現(xiàn)在由于軟件工具和半導體技術，以及各個大公司所做的工作，使我們可以用一個很精簡的團階進行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平臺上進行SoC的初步設計。

2 研究開展

根據現(xiàn)有的IC設計水平和基礎設施以及資金情況，必須很好地規(guī)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的SoC設計，最后必須是以專用技術核心為主的IP式SoC設計。在研究過程中，必須利用好自己專用化的原有技術，達到滿足自己系統(tǒng)要求的目標；同時結合實際項目的研究，根據“Today's PCB is tomorrow ASIC.”的經驗，借鑒PCB時代的系統(tǒng)集成設計概念，進行SoC系統(tǒng)集成的研究實踐。也就是說，首先是一個以系統(tǒng)集成應用的研究為主，然后逐步摸索SoC及EDA設計方法學和深化開展自主IP技術的過程中。而就研究的工程管理來說，有必要結合SoC的新概念設計，進行實際應用的再工程設計過程和比較性設計。這幾點都是在進行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為初步定型產品XA10。它具惡JTAG接口、PLL時鐘、UART接口、計數器、看門狗、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(tǒng)芯片構成如圖1所示。

由于塔SoC設計時，很多時候是一個算法與芯片結構、軟硬件結合的系統(tǒng)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討論這一問題。在視頻流處理中，數據傳輸和處理是兩個影響性能的關鍵部分（在視頻圖形