嵌入式系统/ARM技术中的基于可配置处理器的嵌入式系统ESL设计需求
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2020-11-08
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的基于可配置处理器的嵌入式系统技术中的基于可配置处理器的嵌入式系统ESL
设计需求设计需求
近年来，越来越多的嵌入式系统和SoC开始转向使用可配置处理器技术,这样既可以缩短产品开发周期，又可使
设计更加灵活，甚至流片后仍可以修改部分功能。这要求处理器设计不仅能灵活重用已有设计，同时又要高
效，对于特定应用具有很好的性能，并在符合性能、功耗前提下，能够直接替代硬连线逻辑模块。目前ESL工具
对处理器的不同配置和扩展已经有很好的支持，但针对于像多核SoC（MPSoC）这样的复杂设计，ESL工具还
很难满足设计需求。我们可以将通常的ESL领域划分成5个主要部分： * 算法设计与实现 * 行为级综合
* SoC架构设计、仿真及分析 * 构建虚拟系统原型 * 功能-架构协
近年来，越来越多的嵌入式系统和SoC开始转向使用可配置处理器技术,这样既可以缩短产品开发周期，又可使设计更加
灵活，甚至流片后仍可以修改部分功能。这要求处理器设计不仅能灵活重用已有设计，同时又要高效，对于特定应用具有很好
的性能，并在符合性能、功耗前提下，能够直接替代硬连线逻辑模块。目前ESL工具对处理器的不同配置和扩展已经有很好的
支持，但针对于像多核SoC（MPSoC）这样的复杂设计，ESL工具还很难满足设计需求。我们可以将通常的ESL领域划分成5
个主要部分：
* 算法设计与实现
* 行为级综合
* SoC架构设计、仿真及分析
* 构建虚拟系统原型
* 功能-架构协同设计
算法设计工具允许用户对算法进行描述、仿真，并且可以生成算法实现流程的代码描述。比如Mathworks的Matlab和
Simlink就是这种工具。目前大部分的工具是使用面向数据流或数据密集型算法进行建模，但是也有一些工具，如Mathworks
的StateFlow，允许用户使用有限状态机对控制逻辑进行描述，并可实现自动生成C代码。
行为级综合工具是新一代基于C/C++或SystemC开发的工具，专门为满足算法和软件工程师而非硬件工程师的设计需要而
开发的。由于使用C/C++，因此仿真速度比使用传统的RTL方法有了10~1000倍的显著提高。这也为系统硬件、软件和算法的
联合仿真开辟了一条新道路。
用户通过SoC的架构设计工具使用传统总线，标准嵌入式处理器库(如MIPS或ARM)，以及其他的一些组件(如存储器，特
殊的硬件模块和外设等)来构建SoC系统。之后便可以对整个设计进行仿真，通常使用SystemC或C/C++描述的指令集仿真器
(ISS)和外围硬件模块联合仿真。这样便可分析得到一些系统级的特性，如总线负荷、竞争，内存访问，处理器负荷等。这些
工具可以从CoWare，ARM，Synopsys等公司得到。
虚拟系统原型工具提供单核或多核SoC平台的仿真模型，可以以数十MHz的速度仿真实际系统。系统架构师需要在这样的
平台上运行大量的测试序列，并得到系统性能分析的结果，软件开发人员也可在接近实际的仿真模型中测试他们的嵌入式软
件。
但现今提供的商业ESL工具没有一种可以在更早的阶段帮助工程师决定系统的基础架构，例如决定整个系统需要使用处理
器的数量和种类；需要设计专门的通信机制还是使用传统的分级总线；如何将应用程序划分成多个任务，并分配到不同的处理
器上运行；如何有效的探索各种可能的设计方案等。现在的SoC架构设计工具和ISS要在体系架构确定后才有用武之地。
今天的设计要比上世纪90年代末处理器加硬件模块的结构复杂许多。从最小、最简单的手持无线设备到标准的、带有语
音视频处理功能的蜂窝电话，直至非常复杂的电子设备，当今的技术已经可以把多颗处理器、多片存储器、复杂的片上通信总
线网络，以及由相当可观的硬件模块组成的协同工作子系统集成到一颗SoC中。同时应用软件也愈加复杂，数百万行代码组成
的系统软件已是司空见惯了。因此，使用传统方法进行体系结构设计变得日益困难，这一切都使得ESL设计方法学变得越来越
必要。尤其是当可配置处理器代替传统的固定指令集处理器，可能的设计方案越来越多时更是如此。
定制指令集处理器(ASIP)
基于特定应用定制指令集处理器(ASIP)，这一概念在嵌入式系统设计中变得越来越重要。ASIP的设计方法学和开发工具
也在学术界和IP设计领域被提及，并且许多商业的ESL工具已经提供了类似的处理器和协处理器综合工具。处理器的指令集大
都采用一种中间形式进行描述。Tensilica提供的XPRES工具也提供这样的功能，由Tensilica定义的TIE语言描述的，并且工程
师可以应用这种语言，进一步手动优化处理器的特定配置。
如果SoC的设计是要通过单颗CPU实现，也许再增加一些硬件加速器来提升性能，那么现在的这些工具和设计方??就已
经足够了。但事情并非如此简单，如今已有很多的SoC设计使用了至少两颗处理器(一颗是做控制的RISC，另一颗是进行数据
处理的DSP)，并且下一代SoC设计正朝着6~10颗处理器这一方向前进。在这种情况下，目前显然缺乏设计方??和工具来支持
这样的设计。
使用可配置处理器搭建MPSoC系统
当使用多颗处理器尤其是使用可配置处理器来设计SoC时，将会遇到一些关键问题，包括：
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