SoC设计第15章

SoC设计方法与实现第十五章课程设计郭炜魏继增郭筝谢憬内容大纲•基于ESL设计方法的Motion-JPEG视频解码器设计•基于ARM7TDMI处理器的SoC设计•项目进度管理内容大纲•基于ESL设计方法的Motion-JPEG视频解码器设计•基于ARM7TDMI处理器的SoC设计•项目进度管理实验总体目标•以Motion-JPEG（MJPEG）视频解码算法为应用范例，借助SoCLib建模仿真平台，通过ESL设计方法，了解并掌握多核SoC（MPSoC，Multi-processorSoC）的系统结构设计与软件设计方法实验内容与学时安排•实验1构建基于SoCLib的单核SoC了解SoCLib电子系统级仿真平台学会如何在SoCLib平台上添加新的硬件模块编写简单C程序验证所添加的模块的正确性在所构建的单核SoC上实现串行MJPEG解码应用，验证所搭建的SoC的正确性•实验2构建基于SoCLib的MPSoC在单核SoC系统结构之上添加若干处理器构成MPSoC了解基于MPSoC的并行应用设计需求完成MJPEG解码的并行程序设计，移植到MPSoC之上，验证MPSoC的正确性修改MPSoC中的各种系统参数，比较在不同配置下并行MJPEG的运行性能实验内容与学时安排•实验3系统软件开发-嵌入式操作系统及设备驱动设计了解SoC的软件开发流程掌握简单的嵌入式操作系统的工作原理及设备驱动设计方法编写帧缓存（framebuffer）的设备驱动程序通过MJPEG应用验证所编写的驱动程序的正确性•实验4面向MJPEG解码的MPSoC系统结构的优化添加DMA模块编写IDCT硬件模块的ESL高抽象层次模型，集成到MPSoC之上编写IDCT设备驱动通过MJPEG应用验证所优化的MPSoC的正确性实验准备工作•实验环境Ubuntu9.04•实验平台SoCLibESL仿真平台•SoCLib是一个由法国TIMALab、Lip6等研究机构与STMicrelectronics等知名企业联合开发的、用于多核SoC系统结构设计的ESL建模仿真平台。•SoCLib平台提供了丰富的用于SoC开发所需的硬件IP模块的高抽象层次模型库。•SoCLib平台所提供的硬件IP模块均具有两种抽象层次模型，CABA（CycleAccurateBitAccurate）模型和TLM-DT（TransactionLevelModelingwithDistributedTime）模型。•SoCLib平台所提供的各种IP模块的高抽象层次模型均采用VISA组织的IP标准化接口VCI进行封装•SoCLib平台所提供的所有模型及工具均遵循LGPL开源协议，设计者可免费获取并根据设计需求对其进行修改、裁剪与扩充。Motion-JPEG解码流程实验1构建基于SoCLib的单核SoC•利用实验平台所提供的一个最基本的单核SoC熟悉SoCLib的工作原理。该单核SoC硬件平台由一个MIPSR3000处理器、一个存储器及一个显示终端TTY组成。这些硬件设备通过片上网络GMN进行互连。•该基本单核SoC基于SoCLib实现的顶层文件top.cpp位于/projet_soc/TP/TP0/HW下。要仔细阅读该顶层文件，了解如何通过该文件利用SoCLib所提供的各种ESL模型组件搭建SoC验证平台，如何定义声明各种设备模块以及各设备模块之间如何连接。•在熟悉SoCLib工作原理和顶层文件top.cpp的组织形式后，添加定时器VCI_TIMER、文件系统VCI_FDACCESS、帧缓存VCI_FRAMEBUFFER及同步锁VCI_LOCKS等设备模块，实验1构建基于SoCLib的单核SoC单核SoC硬件平台实验1构建基于SoCLib的单核SoC•编写简单的C语言程序，控制所添加的各种设备模块的功能，以验证SoC系统各设备工作的正确性。•对位于/projet_soc/TP/TP0/SW/mjpeg_seq文件夹下的MJPEG串行程序使用MIPS交叉编译器进行编译，移植到单核SoCLib平台之上。•熟悉MJEPG的算法流程，思考该算法任务的并行性，通过仿真统计各子程序所用的时间，考虑如何进行系统结构改进及软/硬件划分。建议利用TIMER模块，统计MJPEG串行程序每部分在MIPS3000上运行所需要的时间。MotionJPEG运行示意图实验2构建基于SoCLib的MPSoC•在描述的单核SoC的顶层top.cpp文件中，参考MIPS处理器的声明定义方法，再分别添加1～5个MIPS处理器，构成MPSoC。双MIPS核SoC硬件平台实验2构建基于SoCLib的MPSoC•/project_soc/TP/TP1/SW/mjpeg_mpro文件夹复制到工程目录下，该文件夹中包含了并行化后的MJPEG应用程序。MJPEG并行程序按下图方式进行任务划分，并行处理。学习该文件夹中的内容，掌握如何将一个串行的任务并行化，如何采用PosixPthread多线程编程接口进行并行程序设计，嵌入式操作系统如何将多线程的任务划分到不同处理器进行计算MJPEG解码任务的并行化分实验2构建基于SoCLib的MPSoC•修改顶层top.cpp文件，配置不同的MIPS处理器数目。根据处理器数目修改/project_soc/TP/TP1/SW/mjpeg_mpro路径下的ldscript/mips、headers/fetch.h、headers/mjpeg.h、sources/dispatch.c文件中的内容。分析随着处理器数目的变化MJPEG解码应用性能的改变趋势，并总结出现这种变化趋势的原因。实验2构建基于SoCLib的MPSoC•修改顶层top.cpp文件中GMN与Cache的配置参数。GMN和Cache的参数设置实验3嵌入式操作系统及设备驱动设计•设备驱动程序的框架位于/projet_soc/TP/TP2/SW/driver文件夹下，嵌入式操作系统DNA的源程序位于/projet_soc/PLATFORM/SW_PLATFOMR/APES/system/ksp/os/dna文件夹下。•深入理解嵌入式操作系统DNA的层次结构与工作原理。DNA是4层结构，从上到下依次为：应用层、C运行库层、操作系统层、硬件抽象层。应用层使用C运行库层提供的API编写应用程序，C运行库层使用操作系统层提供的API来访问系统的功能，操作系统层通过硬件抽象层HAL提供的API直接访问处理器及其他外设模块。实验3嵌入式操作系统及设备驱动设计嵌入式操作系统DNA层次结构实验3嵌入式操作系统及设备驱动设计•掌握DNA操作系统的设备驱动程序设计方法。•实现设备驱动管理接口后，还需要实现DNA操作系统的设备控制（ControlInterface）接口。open：应用程序通过fopen函数调用该函数，打开设备文件read：应用程序通过fread函数调用该函数，访问设备文件，从该设备文件中读取相关数据write：应用程序通过fwrite函数调用该函数，将相关数据写入到设备文件实验3嵌入式操作系统及设备驱动设计•制设备驱动程序框架到工程目录下，编写帧缓存framebuffer的驱动程序，然后将对该设备引用注册到ldscript链接脚本中，将其与MJPEG应用程序一起编译得到可执行文件，验证设备驱动的正确性。实验4面向MJPEG解码的MPSoC系统优化•通过前面实验可以注意到即使采用MPSoC仍然无法实现实时解码，分析算法可以得出如下结论：IDCT是MJPEG解码任务的计算瓶颈，占据了大部分解码时间，是导致MJPEG无法实时解码的主要原因解码完成的视频数据需要由处理器搬运到framebuffer，即处理器不但要负责MJPEG的解码计算任务，还要负责结果数据搬运，负担过重解决办法是优化MPSoC系统结构。设计IDCT专用硬件模块，加快计算速度；添加DMA模块，由DMA负责结果数据的搬运，进一步减轻处理器的任务，使其专注于MJPEG的解码实验4面向MJPEG解码的MPSoC系统优化优化后的MPSoC系统结构实验4面向MJPEG解码的MPSoC系统优化•在MPSoC的顶层文件top.cpp中添加DMA模块•设计专用硬件模块IDCT的ESL高抽象层次模型——VCI_IDCT。在MJEPG解码中，IDCT采用了Loëffler’s算法，该算法仅使用14次乘法操作和26次加法操作即可完成8个点的一维IDCT计算任务Loëffler’s算法实验4面向MJPEG解码的MPSoC系统优化•根据实验3中提到的步骤方法，设计IDCT的设备驱动程序，编写简单的C程序进行测试•根据MPSoC系统结构，修改MJPEG解码程序并进行移植，验证在该系统结构下是否可完成实时解码的任务内容大纲•基于ESL设计方法的Motion-JPEG视频解码器设计•基于ARM7TDMI处理器的SoC设计•项目进度管理任务目标•本实验的目的主要是增强对SoC设计的理解，并熟悉SoC的设计流程、RTL编码格式和EDA工具的使用，并完成一个集成部分基本外设功能单元的SoC设计方案。•同学们将被编成不同的小组来完成这个SoC设计中的不同的子项目。通过这个项目，希望能增加团队合作精神，提高沟通能力。设计参考建议使用的EDA工具基本SoC设计方案基于ARM7TDMISoC设计的基本结构图基本SoC设计方案基于AHB协议的总线架构图功能模块•时钟管理模块•ARM7TDMICore•AHBController（AHBC）•测试接口控制器（TIC）•DMA•外部存储器控制器（MEMC）•片内SRAM及其控制器实验要求•按照系统设计方案，完成各模块的定义、设计、验证，完成各模块的设计文档•完成SoC系统集成和系统级验证，形成验证脚本•完成SoC芯片的后端设计流程，生成基本可供流片的版图文件内容大纲•基于ESL设计方法的Motion-JPEG视频解码器设计•基于ARM7TDMI处理器的SoC设计•项目进度管理项目任务与进度阶段进度的管理——调研阶段（Pre-study）•任务系统定义初步架构设计及资源要求估计风险及成本分析•产出对项目时间及资源要求的估计对硅片面积的估计对产品成本的估计初步的架构设计明确项目设计的目标，可交付使用的时间及设计过程中的重要阶段初步选择设计方法及使用的工具进度的管理——顶级设计规范•任务写出功能要求方面的参数规范提出多个供选择的架构设计方案确定芯片的架构产生架构设计文档确定关键的模块确定可能使用的第三方IP确定设计方法、工具及设计流程估计硅片的面积、引脚、成本、功耗等•产出讨论并确定功能要求方面的设计规范讨论并确定顶级架构设计的文档讨论并确定初步的计划及资源要求进度的管理——模块级设计规范•任务将架构分解为较低等级的模块完成模块功能及接口的设计文档回顾项目计划及顶级架构设计文档制定团队的相应设计规范•系统管理者的任务更新项目计划，给各模块的设计任务分配资源考虑芯片评估和验证的相关问题定义高质量的工程框架结构，能够方便的说明需要在何处存放信息，以及如何进行更新•产出全部模块的设计规范精确可用的项目计划进度的管理——模块级设计•项目管理者的任务同组员一起确定一个高质量的框架结构保持每周进行的项目会议，给予持续不断、密切的关注协商生成测试向量的方法及所要求的测试覆盖率预定原型及芯片测试所需的资源获得第三方的仿真模型•产出完成全部模块的代码编写和验证各模块进行初步的综合（对于数字电路设计而言）提供后端设计所需的网表和时序信息进度的管理——模块级设计•步骤详细的设计规范模块设计编写代码仿真综合进度的管理——顶层集成及仿真•任务集成模块、输入/输出（I/O）产生测试向量（testpatterns）运行门级仿真创建综合脚本及网表文件创建版图布局规划（FloorPlan）•产出整个芯片的RTL代码初步综合得到可用的网表及时序约束条件完成全部RTL的仿真进度的管理——后端设计•任务综合及时序分析生