软硬件协同设计.ppt

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1、软硬件协同设计HW/SW Co-designBy yuhong_hao12.12.2002Contents：nPart one:软硬件协同设计的引入；软硬件协同设计的引入；nPart two:软硬件协同设计所涉及到的内容软硬件协同设计所涉及到的内容:1.HW-SWCo-designFlow2.ContemporaryCo-designFramework3.HW-SWpartition4.HW-SWCo-synthesis5.HW-SWco-simulationnPart three:目前支持软硬件协同设计的工具介绍。目前支持软硬件协同设计的工具介绍。Part One软硬件协同设计的引入软硬件协

2、同设计的引入系统集成芯片设计方法学的内容系统集成芯片设计方法学的内容 1.以软硬件协同设计以软硬件协同设计(Software/HardwareCo-Design)2.具有知识产权的内核具有知识产权的内核(IntellectualPropertyCore简称简称IP核核)复用复用3.超深亚微米超深亚微米(VeryDeepSub-Micron,简称简称VDSM)技术为技术为支撑的系统集成芯片是国际超大规模集成电路的发支撑的系统集成芯片是国际超大规模集成电路的发展趋势和新世纪集成电路的主流展趋势和新世纪集成电路的主流Problems with Past Design Methodn缺少统一的软硬件表

3、示方法缺少统一的软硬件表示方法n划分依靠先验定义划分依靠先验定义n不能够验证整个系统不能够验证整个系统n通过通过HW/SW边界时很难发现不兼容问题边界时很难发现不兼容问题n缺少成熟的设计流程缺少成熟的设计流程n上市时间问题上市时间问题n描述更改变得困难描述更改变得困难NeedHardware-SoftwareCo-Design软硬件协同设计理论体系软硬件协同设计理论体系 n系统任务描述系统任务描述(SystemTaskDescription)n软硬件划分软硬件划分(Hardware/SoftwarePartition)n软硬件协同综合软硬件协同综合(Hardware/SoftwareCo-sy

4、nthesis)n软硬件协同仿真软硬件协同仿真(HardwareSoftwareCo-simulation)n与系统设计相关的低压低功耗设计，可测性设计与系统设计相关的低压低功耗设计，可测性设计等等。等等。1.HW/SW Co-design 发展过程发展过程:n软硬件协同设计早期软硬件协同设计早期主要是针对一个特定的硬件如何进行软件开发或根据一个主要是针对一个特定的硬件如何进行软件开发或根据一个 已有已有的软件实现具体的硬件结构。的软件实现具体的硬件结构。n前者是一个经典的软件开发问题前者是一个经典的软件开发问题软件性能的好坏不仅仅取决于软件开发人员的技术水平，更有软件性能的好坏不仅仅取决于软

5、件开发人员的技术水平，更有赖于所使用的硬件平台；赖于所使用的硬件平台；n后者是一个软件固化的问题后者是一个软件固化的问题实现的途径可以是采用一个与原有软件平台相同的硬件处理器，实现的途径可以是采用一个与原有软件平台相同的硬件处理器，并将软件代码存储于存储器当中，也可以是在充分理解软件的并将软件代码存储于存储器当中，也可以是在充分理解软件的内在功能之后完全用硬件来实现软件的功能。内在功能之后完全用硬件来实现软件的功能。2.了解了解nHW-SWCo-design?HW-SWCo-design目的是为目的是为hardware和和software的协的协同描述同描述,验证和综合提供一种集成环境。验证和

6、综合提供一种集成环境。nHowcanthisbeachieved?n涉及以下技术涉及以下技术n嵌入式系统设计嵌入式系统设计,n实时系统设计实时系统设计,n硬件设计，硬件设计，n软件设计软件设计.Concurrent design（并行设计）并行设计）Traditional design flow Concurrent(codesign)flowHWSWStartStart HWSWDesignedbyindependentgroupsofexpertsDesignedbySamegroupofexpertswithcooperation3.Why co-design?n缩短开发周期缩短开发周期

7、n取得更好的设计效果取得更好的设计效果n满足苛刻的设计限制满足苛刻的设计限制n这这种平台的推出将不种平台的推出将不仅仅包含芯片本身，包含芯片本身，还还必必须须包含完整包含完整的开的开发发系系统统和典型和典型应应用用实实例，而供例，而供应应商提供的服商提供的服务务和技和技术术支持也当然要成支持也当然要成为产为产品不可分割的一部分。品不可分割的一部分。4.Hardware/Software Co-Design Goals and Requirementsn统一的设计方法统一的设计方法n执行独立执行独立n设计设计/执行验证执行验证n自动生成自动生成HardwareandSoftware综合综合5.C

8、o-design 环境：环境：nResearch（研究）研究）CADLab,SIR/CASTLE(Germany),Chinook,COSMOS,COSYMA,CoWare,DICE,COMET,LYCOS(Denmark),POLIS,Ptolemy,Riley,TOSCA,AKKA,CODES,VIOOL,COOLnCommercial（商业）商业）ArchGen(SynergySystemDesign,Inc.),MentorGraphics,Synopsys,Synthesia-Cadence,Co-designAutomation-Synopsys,Celoxica,CoWare,e

9、tc.到目前为止，商业系统的限制：到目前为止，商业系统的限制：1.典型的手动划分典型的手动划分2.固定应用领域固定应用领域(carefullyveryspecialized)3.逐渐增长的评估需求支持很弱逐渐增长的评估需求支持很弱(noabstractmodels)4.主要强调性能主要强调性能5.模型的连贯性在设计重用中不被支持模型的连贯性在设计重用中不被支持商业系统更强调协同验证商业系统更强调协同验证(co-verification)方面方面(moreachievablegoal)Part two软硬件协同设计所涉及到的内容软硬件协同设计所涉及到的内容:1.HW-SWCo-designFlo

10、w2.ContemporaryCo-designFramework3.HW-SWpartition4.HW-SWCo-synthesis5.HW-SWco-simulation引子引子SW/HW开发模型开发模型:面临的问题面临的问题Break the wall today!1.软件硬件协同设计的设计流程软件硬件协同设计的设计流程 n用用HDL语言和语言和C语言进行系统描述并进行模拟仿语言进行系统描述并进行模拟仿真和系统功能验证；真和系统功能验证；n对软硬件实现进行功能划分，分别用语言进行设对软硬件实现进行功能划分，分别用语言进行设计并将其综合起来进行功能验证和性能预测等仿计并将其综合起来进行功

11、能验证和性能预测等仿真确认真确认(协调模拟仿真协调模拟仿真)；n如无问题则进行软件和硬件详细设计；如无问题则进行软件和硬件详细设计；n最后进行系统测试。最后进行系统测试。典型的典型的 co-design 流程：流程：2.Contemporary Co-design FrameworkSystem SpecificationFront end CompilerSynthesisS/W Common H/WPartitioning Behavior Descriptionof ModulesPerformanceEstimationValidationIntegrationCo-Simulatio

12、nImplementationCPU ASIC Memory ConstraintVerification3.软硬件划分软硬件划分(HW/SW Partition)n是是SOC设计中的一个重要课题设计中的一个重要课题 n其基本原则应该遵循高速、低功耗由硬件实现；其基本原则应该遵循高速、低功耗由硬件实现；n多品种、小批量由软件对应；多品种、小批量由软件对应；n处理器和专用硬件并用以提高处理速度和降低功耗。处理器和专用硬件并用以提高处理速度和降低功耗。Partitioning（划分）划分）n方法方法n面向面向SW:从从SWtoHW满足时序要求满足时序要求n面向面向HW:从从HWtoSW降低成本降低

13、成本n规模大小规模大小n任务级任务级n操作级操作级,基本模块级基本模块级n系统级系统级n焦点问题焦点问题n固定目标体系结构和未知目标体系结构固定目标体系结构和未知目标体系结构nIPC高层考虑高层考虑n带有时序安排的划分带有时序安排的划分n流水线流水线and/or并行并行Hardware-Software ArchitecturenHardware:一个或多个微控制器一个或多个微控制器ASICs,DSPs.nSoftware:concurrenttasks 调度程序集合调度程序集合定制操作系统定制操作系统nInterfaces:Hardware模块模块Software程序程序(polling,i

14、nterrupthandlers,.)3.1 Hardware synthesisn 开发领域开发领域n 商业工具商业工具n 抽象等级抽象等级:n 行为级综合行为级综合:algorithmic synthesisn RTL综合综合:VHDL,Verilogn 逻辑级综合逻辑级综合:netlistn 值得考虑的问题值得考虑的问题:reuse of hardware(Core)3.2 Software synthesisn估算困难n对于嵌入式系统来说，会有更多的限制:nno swapping devicesnno stacksnonly polling and static variablesn简

15、单的算法nTranslating FSMs to programs especially simplen协同任务描述nProblem:How do we find a linear execution order that satisfies the timing constraints?nUse scheduling theory.3.3 Interface synthesisnprocessor and ASIC接口nsynthesis of softwarensynthesis of “glue logic”n总线接口的自动生成nPCI,VME,nsensors and actuator

16、s接口 n挑战:SoC with many cores!All Interfaces for HW/SW Co-DesignCompany NameMember ProductConnections InterfaceCadence ProductsCoWareN2CIntegrator HDLINc-SimMentor GraphicsDetail in web stationSynopsysDetail in web station4.HW-SW co-simulation?n基本定义:用软件控制硬件的仿真n目标目标:把运行在一个可编程的处理器硬件上的虚弱的可把运行在一个可编程的处理器硬件

17、上的虚弱的可编程（编程（or 固定）硬件子系统和仿真软件联结固定）硬件子系统和仿真软件联结4.1 Co-simulation Requirementsn速度速度在不同结构下能够快速测试输入的不同激励在不同结构下能够快速测试输入的不同激励n交互式交互式快速改变结构参数快速改变结构参数容易分析结果和调试容易分析结果和调试(graphicalinterface)n正确性正确性hardlycompatiblewithspeedandinteractivity5.现有工具：现有工具：大学：大学：商业：商业：-POLIS:U.C.-Arexys:SDL.VHDL.CBerkeley-Coware:C/C+

18、-PTOLEMY:U.C.-LavalLogic:JavatoBerkeleyVerilog-VULCAN:StanfordU.-Cynlib:C+toVerilog(HardwareC)-Art,Algorithmto-CHINOOK:U.ofRT:C+toRTLWashington(VHDL)-SUPERLOG:System-COSYMA:U.ofleveldescriptionBraunschweig(C*)Available toolsn Cadance(basic and VCC)n INRIA CADPn Xtensa from Tensilican VxWorks,Montavi

19、sta RTOSn IBM PowerPC development platformn Xilinxs FPGA Expressn Ptolemy,Polis environmentn Code Composer from TI6.Introduction to POLIS1.高级语言翻译高级语言翻译2.形式验证形式验证3.系统协同仿真系统协同仿真4.设计划分设计划分5.硬件综合硬件综合6.软件综合软件综合7.接口连接执行领域接口连接执行领域Continuedn描述描述:FSM-basedlanguages(Esterel,.)n内部表示法内部表示法:CFSMnetworkValidation

20、:high-levelco-simulationFSM-basedformalverificationn划分划分:byhand,basedonco-simulationestimatesn时序安排时序安排:classicalRTalgorithmsn综合综合:S-graph-basedcodesynthesisforsoftwarelogicsynthesisforhardwarenMainemphasisonunbiased verifiable specificationPart Three目前支持软硬件协同设计的工具介绍1.什么是什么是SystemC？nSystemC是一个是一个开发硬件

21、的面向对象的新型新型建模方法，建立在建立在C+基础上，是基础上，是为了方便系统级设计为了方便系统级设计和和IP交换。交换。nSystemC是一个开放的标准，由是一个开放的标准，由13家家EDA和电子行业的公司共同控制。和电子行业的公司共同控制。n包括：包括：nARMLtd.CadenceDesignSystems,Inc.CoWareFujitsuMentorGraphicsMotorolaNECSynopsysnSystemC的源码可以从的源码可以从http:/www.systemc.org/网站上免费下载。网站上免费下载。ContinuednCoCentric System C Compi

22、ler(Synopsys)n可以使用System C源码来综合硬件n可以把用System C写的硬件描综合成门级网表以便IC实现或综合成一个Verilog或VHDL的RTL描述以便FPGA综合。硬件描述能力硬件描述能力nModulesnProcessesnPortsnSignalsnRich set of port and signal typesnRich set of data typesnClocksnCycle-based simulationnMultiple abstraction levelsnCommunication ProtocolsnDebugging Supportsn

23、Waveform TracingSystemC是由一些是由一些C+的类库组成的类库组成Continuedn用用SystemC开发的硬件模型可以用标准的开发的硬件模型可以用标准的C+编编译器来编译：译器来编译：nUnix/Solaris:bcc,gccnWindows:MSVCn经编译后形成一个可执行的应用程序经编译后形成一个可执行的应用程序,设计人员可设计人员可以通过以通过console来观察系统的行为来观察系统的行为,验证系统功能和验证系统功能和结构结构.System C的建模方法的建模方法System C#include“systemc.h”SC_MODULE(dff)sc_indin;s

24、c_inclock;sc_outdout;void doit();/Member functionSC_CTOR(dff)SC_METHOD(doit);/Processsensitive_pos clock;/Sensitize to;void dff:doit()/Member function as Process bodydout=din;VHDLentity dff isport(din,clock:in bit;dout:out bit);end dff;architecture dff of dff isbegindoitdoit:process(clock):process(c

25、lock)Sensitivity Sensitivity ListListbeginbeginif(clockevent and clock=1)if(clockevent and clock=1)thenthendoutdout=din;=din;end if;end if;end process;end process;end dff;SystemC的建模的建模实例实例 2.CADENCEVIRTUAL COMPONENT CO-DESIGN(VCC)CadenceVirtualComponentCo-design(VCC)是第一个是第一个为为IP复用所设计的工业系统级复用所设计的工业系统级HW/SWco-design开发平台开发平台环境。环境。CadenceVCC使设计师在早期设计第一代产品和相关产品使设计师在早期设计第一代产品和相关产品时，就可以确认时，就可以确认HW/SW划分的临界体系结构。划分的临界体系结构。CadenceVCC为为systemhousesandSOCproviders，通通过过theelectronicsupplychain进行交流和交换设计信息，进行交流和交换设计信息，提供必要的框架。提供必要的框架。http:/ end!