開放核協(xié)議—IP核在SoC設(shè)計中的接口技術(shù)
摘 要:本文介紹了IP核的概念及其在SoC設(shè)計中的應(yīng)用,討論了為提高IP核的復(fù)用能力而采用的IP核與系統(tǒng)的接口技術(shù)。
關(guān)鍵詞:SoC;IP核;OCP
引言
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,深亞微米工藝加工技術(shù)允許開發(fā)上百萬門級的單芯片,已能夠?qū)⑾到y(tǒng)級設(shè)計集成到單個芯片中即實現(xiàn)片上系統(tǒng)SoC。IP核的復(fù)用是SoC設(shè)計的關(guān)鍵,但困難在于缺乏IP核與系統(tǒng)的接口標準,因此,開發(fā)統(tǒng)一的IP核接口標準對提高IP核的復(fù)用意義重大。本文簡單介紹IP核概念,然后從接口標準的角度討論在SoC設(shè)計中提高IP核的復(fù)用度,從而簡化系統(tǒng)設(shè)計和驗證的方法,主要討論OCP(開放核協(xié)議)。
圖1 OCP工作原理示意圖
圖2 讀/寫操作的時序
圖3 讀/寫狀態(tài)機
OCP簡介
基于IP核復(fù)用技術(shù)的SoC 設(shè)計使芯片的設(shè)計從以硬件為中心轉(zhuǎn)向以軟件為中心,芯片設(shè)計不再是門級的設(shè)計,而是IP核和接口及其復(fù)用設(shè)計。IP核集成到系統(tǒng)所要考慮的問題包括:同步,例如全局執(zhí)行、數(shù)據(jù)交換和協(xié)議方面的同步操作;協(xié)議轉(zhuǎn)換,不同模塊間不兼容的協(xié)議的轉(zhuǎn)換,封裝可用來解決這個問題,但需要考慮時序約束;I/O緩存,為滿足系統(tǒng)行為和時序約束可能需要緩存數(shù)據(jù)。另外,出于對核設(shè)計的保護會故意隱藏一些信息,而這些信息在集成時可能需要。為解決這些問題需要一個好的接口標準,一些大公司現(xiàn)在已有自己的IP核接口標準,比如Altera的Avalon,Atlantic、IBM的CoreConnect、ARM的AMBA等。因為核的多樣性,使用完全相同的接口是不現(xiàn)實的,OCP將軟件中的分層概念應(yīng)用到IP核接口,提供一種具有通用結(jié)構(gòu)定義、可擴展的接口協(xié)議,方便了IP核與系統(tǒng)的集成。
OCP協(xié)議使IP核與系統(tǒng)的接口與IP核的功能無關(guān),設(shè)計人員不需要了解核內(nèi)部也能利用它進行系統(tǒng)設(shè)計。OCP接口允許設(shè)計者根據(jù)不同的目的配置接口,包括接口的數(shù)據(jù)寬度、交換的握手協(xié)議等,在SoC設(shè)計中可以裁剪核的功能,降低設(shè)計復(fù)雜性,減小面積,同時滿足SoC的要求;OCP接口還保持核在集成到系統(tǒng)的過程中自身完全不被改變,就是說在總線寬度、總線頻率或電氣負載有變化時核保持不變。使用OCP接口的設(shè)計可以交付即插即用的模塊,同時支持核的開發(fā)與系統(tǒng)設(shè)計并行,節(jié)省設(shè)計時間。
OCP接口運行機制
OCP定義兩個通信實體間點到點的接口。其中一個實體作為通信的主體(Master),另一個作為從體(Slave)。只有Master可以發(fā)命令,Slave響應(yīng)Master的命令,接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。封裝接口模塊必須擔當每個連接實體的對應(yīng)端,當連接實體是Master時,封裝接口模塊就作為對應(yīng)的Slave;當連接實體是Slave時,封裝接口模塊作Master。
OCP的工作原理如圖1所示。圖中有三個IP核,其中左邊標有Initiator的IP核是通信的發(fā)起方,作Master;右邊標有Target的是通信的目標方,作Slave;中間的既可作Master又可作Slave;下面的框圖代表封裝接口模塊;從Master出來并進入Slave的箭頭表示請求命令,從Slave出來并進入Master的箭頭表示響應(yīng);加黑的線段代表片上互連總線。兩個IP核通過接口通信的過程是:作為Master的 IP核發(fā)出請求命令給對應(yīng)的Slave端(總線封裝接口模塊);封裝接口模塊通過片上總線將請求命令(OCP并不指定片上互連總線的工作機制,而是把OCP命令轉(zhuǎn)換成總線上的傳送)傳送給接收方的總線封裝模塊;接收方的總線封裝模塊再作為Master把這種內(nèi)部總線傳輸轉(zhuǎn)換成合法的OCP命令傳送給目標IP核;其作為Slave方接收命令并執(zhí)行所要求的操作。
每一個OCP接口都是可根據(jù)連接實體的要求進行配置的(通過選擇需要的信號或某一信號的位寬),也是互相獨立的,例如系統(tǒng)中通信發(fā)起者總是會需要比目標方更多的地址位數(shù)用來選擇發(fā)起者所要求的目標。
OCP接口信號
OCP通過命令完成實體間的通信操作,在接口為選擇的命令配置相應(yīng)信號,所有的信號都是在時鐘上升沿采樣,是完全的同步設(shè)計。OCP接口信號包括數(shù)據(jù)信號、邊帶信號和測試信號。數(shù)據(jù)信號又分為基本信號、簡單擴展信號、猝發(fā)信號和多線程擴展信號。所有IP核都需要基本數(shù)據(jù)信號中的一組信號,其他可選信號用于支持通信需要,實現(xiàn)可配置和可擴展性。
基本數(shù)據(jù)信號包括:Clk、MAddr、MCmd、MData、MDataValid、MRespAccept、SCmdAccept、SData、SDataAccept、SResp。其中只有CLK和MCmd是必須的,其他可選。Mcmd是傳輸命令,指出主方OCP傳輸類型,包括讀、寫和廣播類型的八種命令。簡單擴展信號增加了OCP接口地址空間、字節(jié)使能和核在不同階段的特征信息。猝發(fā)式擴展信號允許猝發(fā)傳輸,可設(shè)置不同猝發(fā)傳輸模式的參數(shù)。多線程擴展信號支持OCP接口的多線程處理。邊帶信號傳送諸如復(fù)位、中斷、錯誤和核特性標志等控制信息,也是IP核與系統(tǒng)間交換控制和狀態(tài)信息的手段,可以同請求/響應(yīng)信號異步,但與時鐘上升沿同步。測試信號支持掃描、時鐘控制和JTAG。
OCP接口時序及接口狀態(tài)機
以簡單讀寫操作的時序為例說明OCP接口時序要求,如圖2所示。
在上升沿1處OCP Master方通過將MCmd由Idle變?yōu)閃r開始進入請求狀態(tài),在此周期內(nèi)把地址A1和數(shù)據(jù)D1分別送到MAddr和MData信號線上,Slave必須在同一個周期內(nèi)發(fā)出SCmdAccept有效信號;Slave在上升沿2處開始接收地址和數(shù)據(jù)并進行內(nèi)部寫操作;在上升沿4處MCmd賦值為Rd,OCP進入讀請求狀態(tài),在這個周期內(nèi)Master方將地址放在MAddr信號線上,在同周期Slave發(fā)出SCmdAccept有效信號;在上升沿5處Slave方置SResp為DVA從而開始響應(yīng)階段,請求階段結(jié)束,根據(jù)從MAddr獲得的地址讀取數(shù)據(jù)并放到SData信號線上;在上升沿6處開始Master方收到Slave的響應(yīng)信號并開始讀數(shù)據(jù),響應(yīng)階段完成。
圖3是在讀、寫操作中請求階段和響應(yīng)階段主、從兩方的狀態(tài)機。
Master和Slave都是從IDLE狀態(tài)開始,當檢測到MCmd變?yōu)樽x或?qū)憰rMaster轉(zhuǎn)為請求階段,Slave轉(zhuǎn)到讀或?qū)憼顟B(tài)。如果是讀操作,Master的請求狀態(tài)持續(xù)到SCmdAccept有效,Slave在完成讀操作后發(fā)出SCmdAccept有效信號并置SResp為DVA,Slave變?yōu)轫憫?yīng)狀態(tài),Master進入IDLE狀態(tài);SResp是NULL時,Slave沒有進入響應(yīng)狀態(tài)Master進入Wait Resp狀態(tài),等待Slave進入響應(yīng)狀態(tài)。如果是寫操作,沒有響應(yīng)信號,當SCmdAccept有效時Master的請求階段結(jié)束進入IDLE狀態(tài),Slave處理寫操作,完成后進入IDLE狀態(tài)。
結(jié)語
OCP是基于核的免費開放的接口協(xié)議,可以根據(jù)不同IP核的通信要求進行配置和擴展,能夠?qū)崿F(xiàn)硬件集成真正的即插即用,允許系統(tǒng)集成根據(jù)應(yīng)用需要選擇最好的IP核和互聯(lián)機制。OCP為IP核設(shè)計提供了解決可配置性和接口的較好辦法,實現(xiàn)了IP核與系統(tǒng)集成的Socket接口,能夠做到核的模塊化和即插即用特性?!?/p>
參考文獻
1 The Importance of SoCkets in SOC Design. http://www.ocpip.org
2 Steven J.E. Wilton and Resve Saleh .Programmable Logic IP Core s in SoC Design : Opportunities and Challenges. Proceedings of the Custom Integrated Circuits Conference, 2001, p 63-66
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