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用SoC實(shí)現(xiàn)視頻圖形引擎功能的研究

作者: 時(shí)間:2004-12-08 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:結(jié)合實(shí)際方案對(duì)目前國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行一些討論,主要對(duì)系統(tǒng)集成、算法與系統(tǒng)芯片結(jié)構(gòu)、可測(cè)試性設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行一些相關(guān)探討。采用基于Altera的SOPC系統(tǒng)級(jí)芯片XA10,實(shí)現(xiàn)圖形功能;利用平臺(tái)化設(shè)計(jì),以達(dá)到快速進(jìn)入設(shè)計(jì)領(lǐng)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(shù)以及軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞:SOPC可編程系統(tǒng)芯片 機(jī) RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

引言

目前,國(guó)際上幾乎所有的半導(dǎo)體廠商及其相關(guān)領(lǐng)域的高科技公司都在進(jìn)軍SoC及其應(yīng)用產(chǎn)品市場(chǎng),像Atmel、Xilinx、Altera、Triscend、IDT、Genesis、Cygnal、Cypress等;而國(guó)內(nèi),由于在原來(lái)分立標(biāo)準(zhǔn)器件的IC設(shè)計(jì)時(shí)代處于落后的狀況,因此迫切希望在IC設(shè)計(jì)的第3次革命來(lái)臨的時(shí)期趕上來(lái)。但是由于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)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(gòu)架的居多,而實(shí)際研究經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。可編程匣可配置SoC技術(shù)的出現(xiàn),使我們有機(jī)會(huì)進(jìn)入構(gòu)造芯片技術(shù)結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域。因此我們迫切要做的事就是,從事實(shí)際SoC應(yīng)用產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制,進(jìn)行電子信息產(chǎn)品核心SoC技術(shù)研制開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)。在這些研究實(shí)際工作中,逐步深入開(kāi)展關(guān)于SoC的EDA工具算法研究與實(shí)現(xiàn)以及SoC核心技術(shù)IP的研究與實(shí)現(xiàn)。而目前可編程的SoC芯片及其開(kāi)發(fā)平臺(tái)都提供了較理想的SoC技術(shù)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)工具套件。這些套件具有了一般的編譯、仿真、調(diào)試及驗(yàn)證功能,同時(shí)還針對(duì)不同的應(yīng)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(shù)和方法,可很容易進(jìn)入SoC設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí),系統(tǒng)集成可以說(shuō)是SoC設(shè)計(jì)的真正意義所在和主要設(shè)計(jì)瓶頸。因此,我們針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的設(shè)計(jì)策略是,一開(kāi)始就從系統(tǒng)方面考慮(當(dāng)然在真正的SoC設(shè)計(jì)中必須考慮很多工藝集成的問(wèn)題,但主要可以靠IP及代工支持來(lái)完成),進(jìn)行一些實(shí)際SoC應(yīng)用項(xiàng)目設(shè)計(jì)研究探索。

1 SoC平臺(tái)的概念及意義

SoC設(shè)計(jì)最主要的一個(gè)支撐技術(shù)是超深亞微米IC設(shè)計(jì)技術(shù)??梢哉f(shuō),它具有專用集成電路ASIC設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度,但又和ASIC不完全一樣。它是以超深亞微米IC設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ),是建立在超深亞微米IC設(shè)計(jì)技術(shù)上的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì),是從半導(dǎo)體工程師到電子系統(tǒng)整機(jī)工程師的轉(zhuǎn)手。要實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變,就必須要有SoC平臺(tái)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(jīng)濟(jì)模式等無(wú)不順應(yīng)了這一轉(zhuǎn)變需求)。

我們要想快速地進(jìn)入SoC設(shè)計(jì)行業(yè)就必須從這兩個(gè)角度入手。目前,SoC平臺(tái)主要有CSOC、SOPC、EPGA等。為了進(jìn)一步明確SoC平臺(tái)的概念,有必要首先搞清楚SoC的內(nèi)涵和外延。我們知道,SoC的內(nèi)涵和外延很自然地必須包括:實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能的VLSI;采用超深亞微米工藝技術(shù);使用1個(gè)或數(shù)個(gè)嵌入式CPU或DSP;具有外部對(duì)芯片編程的能力。根據(jù)這些基本的外延,很自然地可得到SoC平臺(tái)的一些概念。其中CSOC稱為可配置系統(tǒng)級(jí)芯片,一般包括1個(gè)處理內(nèi)核、可編程邏輯陣列和其它一些通用組成部件。其應(yīng)用主要以芯核為主。SOPC則可以是全部的虛據(jù)點(diǎn)核加上FPGA模塊,像Altera的NIOS內(nèi)核模塊,而EPGA則是以FPGA為主的SoC平臺(tái)。這3者都符合SoC的外延概念。都可以說(shuō)是SoC的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)。這一市場(chǎng)中競(jìng)爭(zhēng)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(tái),SoC芯片不僅可以具有靈活編程的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又具備系統(tǒng)芯片集成度高和價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。表現(xiàn)為:縮短開(kāi)發(fā)的周期,減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用;避免成本高昂的掩膜變更為重新投片;實(shí)現(xiàn)基于平臺(tái)的設(shè)計(jì);允許設(shè)計(jì)人員快速、低成本適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的變化、或增加面向特定或應(yīng)用定制的功能塊;在制造和質(zhì)量控制過(guò)程中,允許軟硬件驗(yàn)證協(xié)同進(jìn)行;允許采用同一套掩膜設(shè)計(jì)多個(gè)不同功能的產(chǎn)品;允許將風(fēng)險(xiǎn)較大的元件設(shè)計(jì)到EPGA中,讓某些功能在設(shè)計(jì)完成后才予以定型;在生產(chǎn)階段改變產(chǎn)品特性或功能以延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命;容許在低端標(biāo)準(zhǔn)芯片中集成高端標(biāo)準(zhǔn)FPGA的功能,從而獲得高利潤(rùn)。這種基于平臺(tái)的設(shè)計(jì),可以使設(shè)計(jì)人員僅僅通過(guò)制造工藝與內(nèi)核的接口來(lái)局部地關(guān)心制造工藝,而對(duì)內(nèi)核予以更多的關(guān)注。軟硬件的協(xié)同可編程性,可以使設(shè)計(jì)人員更關(guān)注內(nèi)核功能的設(shè)計(jì),如對(duì)內(nèi)核接口進(jìn)行標(biāo)記,而不必關(guān)注制造工藝和硬件診斷,這就更符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和要求。

過(guò)去,SoC項(xiàng)目設(shè)計(jì)必須需要20人以上的工程師團(tuán)階,而現(xiàn)在由于軟件工具和半導(dǎo)體技術(shù),以及各個(gè)大公司所做的工作,使我們可以用一個(gè)很精簡(jiǎn)的團(tuán)階進(jìn)行SoC設(shè)計(jì);而且SoC設(shè)計(jì)一般都是基于FPGA、微處理器和存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的,使得我們完全可以在SoC平臺(tái)上進(jìn)行SoC的初步設(shè)計(jì)。

2 研究開(kāi)展

根據(jù)現(xiàn)有的IC設(shè)計(jì)水平和基礎(chǔ)設(shè)施以及資金情況,必須很好地規(guī)劃我們的SoC設(shè)計(jì)策略。就研究的形式而言,首先必須是基于平臺(tái)的SoC設(shè)計(jì),其次必須是應(yīng)用引導(dǎo)為主的SoC設(shè)計(jì),再次必須是多芯核片上總線的SoC設(shè)計(jì),最后必須是以專用技術(shù)核心為主的IP式SoC設(shè)計(jì)。在研究過(guò)程中,必須利用好自己專用化的原有技術(shù),達(dá)到滿足自己系統(tǒng)要求的目標(biāo);同時(shí)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的研究,根據(jù)“Today's PCB is tomorrow ASIC.”的經(jīng)驗(yàn),借鑒PCB時(shí)代的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)概念,進(jìn)行SoC系統(tǒng)集成的研究實(shí)踐。也就是說(shuō),首先是一個(gè)以系統(tǒng)集成應(yīng)用的研究為主,然后逐步摸索SoC及EDA設(shè)計(jì)方法學(xué)和深化開(kāi)展自主IP技術(shù)的過(guò)程中。而就研究的工程管理來(lái)說(shuō),有必要結(jié)合SoC的新概念設(shè)計(jì),進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的再工程設(shè)計(jì)過(guò)程和比較性設(shè)計(jì)。這幾點(diǎn)都是在進(jìn)行SoC研究計(jì)劃中所考慮的因素。

3 方案具體組成

根據(jù)前面平臺(tái)設(shè)計(jì)的概念,我們采用的SoC為初步定型產(chǎn)品XA10。它具惡JTAG接口、PLL時(shí)鐘、UART接口、計(jì)數(shù)器、看門(mén)狗、擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口、中斷控制器、調(diào)試測(cè)試跟蹤器、256KB皂SRAM、128KB皂DPRAM、APEX20K多芯FPGA嚓a及ARM922T核處理器等。初始皂系統(tǒng)芯片構(gòu)成如圖1所示。

由于塔SoC設(shè)計(jì)時(shí),很多時(shí)候是一個(gè)算法與芯片結(jié)構(gòu)、軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計(jì),因此,完全有必要針對(duì)的應(yīng)用,結(jié)合邏輯組成框圖來(lái)討論這一問(wèn)題。在視頻流處理中,數(shù)據(jù)傳輸和處理是兩個(gè)影響性能的關(guān)鍵部分(在引擎中,數(shù)據(jù)處理主要是圖形數(shù)據(jù)產(chǎn)生,而很少涉及浮點(diǎn)數(shù)的圖形處理,因此又可以分為視頻圖形顯示控制、繪圖填表充數(shù)據(jù)產(chǎn)生和傳輸數(shù)據(jù))。

在我們的SoS方案中,將控制、狀態(tài)處理采用基于ARM922T的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)構(gòu)成。也就是說(shuō),對(duì)于輸入、輸出等相關(guān)邏輯控制采用軟件實(shí)現(xiàn),繪圖的最高一級(jí)也采用軟件實(shí)現(xiàn),這樣不僅可以完全避開(kāi)浮點(diǎn)運(yùn)算的要求,而且還可以充分利用32位RISC處理器的高效率,提高整個(gè)視頻圖形引擎的性能,同時(shí)也使產(chǎn)品成本和競(jìng)爭(zhēng)力得到大幅度的提高。而對(duì)于底層和中級(jí)的繪圖,采用FPGA的硬件實(shí)現(xiàn);對(duì)于視頻的疊加和成幀處理,同樣也采用FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)。這樣就從根本上解決了視頻圖形引擎的處理速度問(wèn)題。有一點(diǎn)必須說(shuō)明了的是,這是我們進(jìn)行SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn),更是未來(lái)SoC定制生產(chǎn)時(shí)必須升級(jí)到專用電路的部分,或者說(shuō)是我們具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IP內(nèi)核。開(kāi)始時(shí),會(huì)擔(dān)心在芯片版圖設(shè)計(jì)和微電子工藝方面的經(jīng)驗(yàn)不足,沒(méi)有進(jìn)行過(guò)實(shí)際工藝過(guò)程,但在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期深入的調(diào)查研究之后,發(fā)現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)有完整的FPGA轉(zhuǎn)化成ASIC的解決方案?,F(xiàn)代EDA的迅速發(fā)展和面對(duì)SoC設(shè)計(jì)的重新構(gòu)架,以及半定制ASIC的工藝列新和半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的迅猛發(fā)展,使我們消除了這種擔(dān)憂。我們所關(guān)心的只是芯片的整體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)成優(yōu)化,這同時(shí)也是SoC的誘人之處。在數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題上,我們充分利用內(nèi)嵌存儲(chǔ)器和AMBA的片上總線體系。這樣就完全可以實(shí)現(xiàn)沒(méi)有總線速度限制的數(shù)據(jù)傳輸(這是SoC的一大優(yōu)點(diǎn),因?yàn)樗鼜母旧辖鉀Q了限制總線速度的因素,如串?dāng)_、地跳、反射和PCB焊盤(pán)等效電容等)。如此,我們就可以實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗。這兩點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)都必須和實(shí)際的應(yīng)用以及實(shí)際應(yīng)用中解決方案緊密結(jié)合起來(lái)才有可能。

視頻圖形引擎機(jī)構(gòu)成框圖如圖2所示。

①系統(tǒng)參數(shù)及繪圖指令的接受??梢杂肍PGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字總線的接收功能,但是對(duì)于完整總線,這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程(也不屬于項(xiàng)目重點(diǎn)組成部分)。因此,先采用專用外接芯片實(shí)現(xiàn)此功能,再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用8KB的雙口存儲(chǔ)器(在SoC中)作為數(shù)據(jù)接收緩沖。

②系統(tǒng)控制器。采用支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的ARM922T(在SoC中)完成各種輸入輸出、中斷響應(yīng)控制,以及高級(jí)繪圖指令和程序構(gòu)架。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用μC/OS-II。

③字模及圖例庫(kù)。采用外部非易失性存儲(chǔ)器加載到SRAM(在SoC中),因?yàn)橐?0482048的筆劃信號(hào)術(shù)語(yǔ),根據(jù)屏幕大小至少需要2424以上的點(diǎn)陣顯示漢字(最好是有4040或者7272的漢字顯示)。于是需要不是127個(gè)ASCII碼和約200個(gè)漢字的字模庫(kù)、大小接近200KB的存儲(chǔ)容量,因此,采用嵌入式的SRAM來(lái)實(shí)現(xiàn)是不合理的。根據(jù)漢字及ASCII碼的編碼規(guī)律,我們決定采用解碼方式實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用FPGA的高速和并行性來(lái)實(shí)現(xiàn)解碼,使數(shù)字、文字等筆劃視頻信號(hào)的產(chǎn)生成為系統(tǒng)瓶頸。

④視頻格式控制。在加載FPGA程序,提供實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)的一些控制功能;可以初步實(shí)現(xiàn)多視頻格式支持的功能;

⑤視頻圖形產(chǎn)生。主要是處理符合視頻流格式的掃描數(shù)據(jù)流。采用FPGA(在SoC中)的方式實(shí)現(xiàn),對(duì)來(lái)自筆劃、簡(jiǎn)單圖形與合成的視頻進(jìn)行圖像掃描數(shù)據(jù)流的輸出。

⑥顯示時(shí)序控制。利用PLL和ARM922T的計(jì)數(shù)器及中斷(在SoC中)來(lái)和一定的簡(jiǎn)單邏輯產(chǎn)生視頻格式要求的時(shí)序,以達(dá)到各種控制和同步。

⑦視頻疊加控制。利用FPGA(在SoC中)實(shí)現(xiàn)與外視頻的疊加控制功能。在這里只做簡(jiǎn)單的前景和背景處理(即簡(jiǎn)單的疊加功能),不涉及剪裁、遮擋等三維圖形問(wèn)題;

⑧視頻協(xié)議傳輸。實(shí)現(xiàn)視頻流成幀和發(fā)送。采用一種圖形傳輸協(xié)議來(lái)進(jìn)行圖形的傳輸,初步先采用專用芯片,以后再考慮升級(jí)為芯片內(nèi)集成,一級(jí)傳輸緩存采用DPRAM來(lái)傳輸(在SoC中),如果系統(tǒng)要求用到二級(jí)緩存的話,可方便地實(shí)現(xiàn)VRAM接口。

4 設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中,以下幾點(diǎn)值得注意。

(1)IP庫(kù)的調(diào)查和庫(kù)選擇

有時(shí)候,我們會(huì)擔(dān)心所選定的SoC平臺(tái)會(huì)限制SoC設(shè)計(jì)。而實(shí)際上,我們?cè)谶x用這一平臺(tái)時(shí),做過(guò)詳細(xì)的IP庫(kù)調(diào)查。我們所選用的IP核構(gòu)是十分通用的IP核,比如ARM核,一些關(guān)鍵部件均由FPGA自主研制開(kāi)發(fā),因此其技術(shù)具有很大的通用性。而Altera是世界上典型的Fabless公司之一,其屬下并沒(méi)有生產(chǎn)線,所以其工藝參數(shù)也是通過(guò)代加工實(shí)現(xiàn)得到的。其生產(chǎn)廠臺(tái)積電TSMC也將馬上進(jìn)駐上海,因此我們完全可以去掉這樣的擔(dān)心。

(2)算法與芯片結(jié)構(gòu)

在我們所進(jìn)行的SoC研究中,算法與芯片結(jié)構(gòu)主要是從系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)劃、視頻處理速度要求、實(shí)現(xiàn)方便可行性以及VHDL編程實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等幾個(gè)角度入手;同時(shí)結(jié)合所用FPGA的實(shí)際結(jié)構(gòu),進(jìn)行算法與芯片結(jié)構(gòu)的考慮。從相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用核心算法出發(fā),討論其實(shí)現(xiàn)過(guò)程和性能比較。像底層圖形庫(kù)的繪制算法、反走樣算法、多屏幕實(shí)時(shí)處理調(diào)度算法等等。

(3)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

具有一個(gè)微處理器和可編程性是SoC的基本概念外延,因此很有必要在SoC設(shè)計(jì)中進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)可以說(shuō)一直是個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)樗扔蠸oC設(shè)計(jì)的靈活性,又有SoC設(shè)計(jì)中難以揣摩、充滿變數(shù)的特征。而且它還涉及到硬件資源的規(guī)劃和艇,甚至?xí)P(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的實(shí)現(xiàn)。這一切無(wú)不要求我們必須從一開(kāi)始就仔細(xì)地考慮這一問(wèn)題。在實(shí)際研究項(xiàng)目中,我們采用片上操作系統(tǒng)COS(Chip Operating System),以求符合SoC設(shè)計(jì)中辦IP特性(主要指靈活性、可繼承性和可復(fù)用性等特性)。結(jié)合ARM922T芯核的實(shí)際體系結(jié)構(gòu)、性能和指令結(jié)構(gòu)進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),在各個(gè)模塊之間進(jìn)行通信、傳輸、控制等,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的一體化。

(4)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中,我們就所選用的IP核進(jìn)行無(wú)縫連接系統(tǒng)設(shè)計(jì),以及相關(guān)的可測(cè)試和低功耗管理設(shè)計(jì),主要是通過(guò)各個(gè)模塊的測(cè)試接口和模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而低功耗管理主要是通過(guò)一些系統(tǒng)狀態(tài)和各個(gè)模塊間專用接口以及OCB的橋接控制等來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然,由于我們選擇的是平臺(tái)設(shè)計(jì)概念,所以AMBA的橋接主要是采用Altera技術(shù),主要工作綜合各個(gè)IP可測(cè)試性、功率管理特性以及各個(gè)IP接口的設(shè)計(jì)。

5 總結(jié)

由于我國(guó)目前還是IC設(shè)計(jì)行業(yè)基礎(chǔ)薄弱的國(guó)家,為了提高我們的IC(SoC)設(shè)計(jì)能力,做以下方面的總結(jié):

①EDA工具。在本SoC設(shè)計(jì)項(xiàng)目中主要采用Altera的SOPC開(kāi)發(fā)環(huán)境QUARTUS II,采用工業(yè)級(jí)的集成分析軟件和PowerGaugeTM分析軟件,并增強(qiáng)企業(yè)驗(yàn)證工具,同時(shí)集成配有PowerFitTM裝配器,進(jìn)行新的時(shí)間驅(qū)動(dòng)布線。語(yǔ)言描述采用VHDL語(yǔ)言和C語(yǔ)言。

②HDL語(yǔ)言工具。本研究中采用VHDL語(yǔ)言,并且在低層上就強(qiáng)調(diào)其結(jié)構(gòu)和傳輸連接上的性能;結(jié)合VHDL語(yǔ)言結(jié)構(gòu)性好的特點(diǎn),彌補(bǔ)其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的缺陷(目前尚無(wú)一個(gè)完善的系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言);采用自頂至下的模塊化設(shè)計(jì),強(qiáng)調(diào)詳細(xì)的配置和接口標(biāo)準(zhǔn)化。

③IP技術(shù)。主要是各個(gè)IP的現(xiàn)有資源、接口、可測(cè)試性、規(guī)范化,像我們實(shí)際應(yīng)用中ARM核的現(xiàn)有資源與接口、APEX20K的資源規(guī)劃、實(shí)際系統(tǒng)要求等。

6 結(jié)論

*以實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用為主切入SoC設(shè)計(jì),是符合當(dāng)前SoC設(shè)計(jì)和我國(guó)實(shí)際情況的研究方式。

*系統(tǒng)集成IS是SoC設(shè)計(jì)的真正內(nèi)涵。

*采用SoC平臺(tái)概念,可以快速進(jìn)入SoC設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

*特有的應(yīng)用IP核,是SoC設(shè)計(jì)未來(lái)生命的關(guān)鍵所在。

*系統(tǒng)集成IS設(shè)計(jì)方法、EDA等基礎(chǔ)討論更是SoC設(shè)計(jì)的意義所在。



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