嵌入式合肥培訓_基于可配置處理器的嵌入式系統(tǒng)ESL設計需求

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嵌入式合肥培訓_基于可配置處理器的嵌入式系統(tǒng)ESL設計需求,   

基于可配置處理器的嵌入式系統(tǒng)ESL設計需求

近年來，越來越多的嵌入式系統(tǒng)和SoC開始轉(zhuǎn)向使用可配置處理器技術(shù),這樣既可以縮短產(chǎn)品開發(fā)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(jīng)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(lǐng)域劃分成5個主要部分：  

  

* 算法設計與實現(xiàn)  

* 行為級綜合  

* SoC架構(gòu)設計、仿真及分析  

* 構(gòu)建虛擬系統(tǒng)原型  

* 功能-架構(gòu)協(xié)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(xiàn)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(shù)據(jù)流或數(shù)據(jù)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(tài)機對控制邏輯進行描述，并可實現(xiàn)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(fā)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(fā)的。由于使用C/C++，因此仿真速度比使用傳統(tǒng)的RTL方法有了10~1000倍的顯著提高。這也為系統(tǒng)硬件、軟件和算法的聯(lián)合仿真開辟了一條新道路。  

  

用戶通過SoC的架構(gòu)設計工具使用傳統(tǒng)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(gòu)建SoC系統(tǒng)。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(lián)合仿真。這樣便可分析得到一些系統(tǒng)級的特性，如總線負荷、競爭，內(nèi)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(tǒng)原型工具提供單核或多核SoC平臺的仿真模型，可以以數(shù)十MHz的速度仿真實際系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)師需要在這樣的平臺上運行大量的測試序列，并得到系統(tǒng)性能分析的結(jié)果，軟件開發(fā)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(xiàn)今提供的商業(yè)ESL工具沒有一種可以在更早的階段幫助工程師決定系統(tǒng)的基礎架構(gòu)，例如決定整個系統(tǒng)需要使用處理器的數(shù)量和種類；需要設計專門的通信機制還是使用傳統(tǒng)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�，F(xiàn)在的SoC架構(gòu)設計工具和ISS要在體系架構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)已經(jīng)可以把多顆處理器、多片存儲器、復雜的片上通信總線網(wǎng)絡，以及由相當可觀的硬件模塊組成的協(xié)同工作子系統(tǒng)集成到一顆SoC中。同時應用軟件也愈加復雜，數(shù)百萬行代碼組成的系統(tǒng)軟件已是司空見慣了。因此，使用傳統(tǒng)方法進行體系結(jié)構(gòu)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?zhèn)鹘y(tǒng)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(tǒng)設計中變得越來越重要。ASIP的設計方法學和開發(fā)工具也在學術(shù)界和IP設計領(lǐng)域被提及，并且許多商業(yè)的ESL工具已經(jīng)提供了類似的處理器和協(xié)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(yōu)化處理器的特定配置。  

  

如果SoC的設計是要通過單顆CPU實現(xiàn)，也許再增加一些硬件加速器來提升性能，那么現(xiàn)在的這些工具和設計方??就已經(jīng)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(shù)據(jù)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(tǒng)  



  

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(guān)鍵問題，包括：  

嵌入式專業(yè)工資分析, 路由器嵌入式web, 龍芯嵌入式競賽, 嵌入式更改小米手環(huán), 嵌入式研發(fā)團隊介紹, 嵌入式asoc架構(gòu), 8槽嵌入式機箱, 嵌入式開發(fā)QT, 嵌入式陶瓷面盆, 嵌入式與裝修結(jié)合, 嵌入式系統(tǒng)軟件出口, 小學科學嵌入式教學, 充電樁嵌入式開發(fā), 計算機嵌入式畢業(yè)論文, 期末考嵌入式考卷, 學嵌入式軟件書, 嵌入式冷卻泵, 哈工大嵌入式, 南京嵌入式培訓學校, 嵌入式生產(chǎn)實踐總結(jié), 嵌入式數(shù)字鐘, 嵌入式無鑰匙拉手鎖,

* 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(gòu)方式還是異構(gòu)方式  

* 處理器之間如何通信？采用標準總線，還是片上網(wǎng)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(zhí)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(gòu)以及內(nèi)存選擇等多種可供選擇的技術(shù)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�？膳渲锰幚砥鱅P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(jīng)優(yōu)化過的處理器上，這些處理器之間有著理想的通信網(wǎng)絡；迭代處理器定義和進程映射；分析處理器間通信網(wǎng)絡的需求；設計并行控制和調(diào)度模塊；涉及通信網(wǎng)絡（包括存儲器、總線、隊列等）；分析結(jié)果并且迭代其他可能的配置；反復迭代優(yōu)化直至實現(xiàn)滿足設計需求的MPSoC系統(tǒng)；實現(xiàn)軟件/硬件的具體設計。  

  

這種自上至下、以應用需求為驅(qū)動的設計流程，在一些MPSoC子系統(tǒng)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(tǒng)設計方案不足以支持新標準應用程序的開發(fā)時，這種從設計需求和應用程序的特征出發(fā)進行設計的方法，往往可以得到最優(yōu)的解決方案。使用這種方法定義系統(tǒng)的體系架構(gòu)時，通過模擬、分析，并迭代得出使用處理器的種類和數(shù)量，內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)以及通信子系統(tǒng)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(fā)環(huán)境（IDE）中，如系統(tǒng)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(diào)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(chuàng)建、擴展的用戶配置界面，將用戶的配置轉(zhuǎn)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(xiàn)一個軟硬件系統(tǒng)。  

  

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(nèi)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(tǒng)。IDE還需要支持系統(tǒng)級仿真，可以裝載處理器的ISS，能夠裝載整個系統(tǒng)的仿真模型，靜態(tài)或動態(tài)的追蹤系統(tǒng)級上發(fā)生的事件，能統(tǒng)計處理器的執(zhí)行狀況并記錄數(shù)據(jù)，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(nèi)存的使用狀況，以及處理器數(shù)據(jù)讀取的平衡狀況等系統(tǒng)級信息。  

  

IP的參數(shù)（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�；�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(tǒng)架構(gòu)和參數(shù)的極具吸引力的方法。  

  

有了系統(tǒng)架構(gòu)的信息，也有了標準格式的ISS模型，便可以生成系統(tǒng)仿真模型用于系統(tǒng)測試。許多已有的ISS支持在SystemC環(huán)境中運行，這樣便可以和總線模型、內(nèi)存模型、硬件模塊模型、外設模型等其他系統(tǒng)模型在事務級上進行互聯(lián)、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(zhì)和其缺乏一個發(fā)展的路線圖，ESL世界里的系統(tǒng)仿真必須繼續(xù)依賴于IP提供商提供的可供互聯(lián)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(tǒng)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(tǒng)運行時的細節(jié)進行分析，每秒鐘只能運行數(shù)千個周期或再多一些，而快速功能仿真則可以數(shù)百萬個周期每秒的速度運行，這對軟件的開發(fā)有著特別的意義。  

  

可配置處理器是高性能MPSoC系統(tǒng)的核心，通過擴展指令的自動生成技術(shù)使得在設計的最后階段仍可修改系統(tǒng)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(fā)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(diào)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(tǒng)中。  

  

本文小結(jié)  

  

復雜的多顆可配置處理器組成的嵌入式系統(tǒng)設計對現(xiàn)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(guān)的。