SoC软/硬件协同设计方法研究

论文摘要

随着嵌入式系统与微电子技术的飞速发展，硬件的集成度越来越高，这使得将CPU、存储器和T／O设备集成到一个硅片上成为可能，SoC应运而生，并以其集成度高、可靠性好、产品问世周期短等特点逐步成为当前嵌入式系统设计技术的主流。传统的嵌入式系统设计开发方法无法满足SoC设计的特殊要求，这给系统设计人员带来了巨大的挑战和机遇，因此针对SoC的设计方法学已经成为当前研究的热点课题。 论文首先分析了嵌入式系统设计的发展趋势，论述了传统设计开发方法和工具的局限性，针对SoC设计技术的特点探究了SoC软/硬件协同设计方法的流程，清晰地确定了设计开发过程中各个阶段的任务和目的，并指出了SoC软／硬件协同设计方法学中需要优先解决的主要问题。采用“各个击破”的思路，分别对SoC性能指标评价技术、SoC软／硬件协同综合方法、SoC软／硬件协同验证技术、SoC测试调度策略进行了深入研究，试图建立一个SoC软/硬件协同设计方法框架。基于上述思路，本文对SoC软/硬件协同设计方法学展开了系统、深入地理论研究和实验分析，主要的贡献与创新之处包括： 1) 为了克服传统嵌入式系统软/硬件协同设计方法和工具不足，重点研究了基于可重用技术的SoC设计特点，讨论了设计开发过程中的难点问题，为设计开发SoC提供了依据，提出了一种SoC软／硬件协同设计流程。该设计方法的基础是IP核和软件构件库，将可重用设计技术融入SoC的划分、验证、开发实现和测试等各个阶段，同时还允许在系统实现以前评价和验证系统设计的功能要求和性能指标，避免了系统设计不当而产生的错误，达到了尽早纠错、排错的目的。 2) 为了得到高品质的SoC设计，分析了现有嵌入式电子产品的性能需求，总结了可重用SoC设计的主要性能指标，重点研究了成本、功耗、时间特性和硬件面积四个主要性能指标，并分别阐述了它们的分析和评价方法，为SoC的系统划分、设计、验证和测试奠定了基础。 3) 为了获得嵌入式电子产品软件和硬件的最优划分，在分析了现有软/硬件协同综合算法不足之处的基础上，重点研究了SoC软/硬件协同综合方法的特殊要求，提出了一种基于图论的解决方案，将SoC软/硬件协同综合问题转换为赋权有向图的最优路径问题，通过改进的最优路径算法达到求解

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 嵌入式系统设计趋势
• 1.1.2 传统方法的局限性
• 1.1.3 软／硬件协同设计技术
• 1.2 研究的目的与意义
• 1.3 相关研究
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 EDA产品发展现状
• 1.3.3 国内研究现状
• 1.3.4 研究现状总结
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 本文的章节安排
• 第二章 可重用的SOC设计
• 2.1 片上系统SoC
• 2.2 IP核
• 2.3 构件
• 2.4 SoC设计特点
• 2.5 SoC软／硬件协同设计流程
• 2.6 小结
• 第三章 SOC主要性能指标评价技术研究
• 3.1 成本
• 3.1.1 现有的成本估算方法
• 3.1.2 软件成本
• 3.1.2.1 软件规模度量
• 3.1.2.2 软件成本估算技术
• 3.1.3 硬件成本
• 3.1.3.1 IP核成本
• 3.1.3.2 IP核组装成本
• 3.1.3.3 硬件总成本
• 3.1.4 SoC总成本估算
• 3.2 功耗
• 3.2.1 CMOS集成电路的功耗来源
• 3.2.1.1 静态功耗
• 3.2.1.2 短路功耗
• 3.2.1.3 动态功耗
• 3.2.2 低功耗抽象层次
• 3.2.2.1 系统级／行为级
• 3.2.2.2 结构级／寄存器传送级
• 3.2.2.3 逻辑级
• 3.2.2.4 电路级／晶体管级
• 3.2.3 功耗分析和评估方法
• 3.2.3.1 仿真评估法
• 3.2.3.2 统计评估法
• 3.2.3.3 状态评估法
• 3.2.3.4 指令评估法
• 3.2.3.5 混合评估法
• 3.3 时间特性
• 3.3.1 基于增量的时间特性评价方法
• 3.3.2 基于预模拟的时间特性评价方法
• 3.3.3 基于多处理机调度算法的时间特性评价方法
• 3.4 硬件面积
• 3.4.1 SoC硬件部件的面积估算
• 3.4.2 SoC芯片面积优化
• 3.5 小结
• 第四章 SOC软／硬件协同综合技术研究
• 4.1 软／硬件协同综合问题的形式化定义
• 4.2 现有的软／硬件协同综合方法及其不足
• 4.3 多目标优化问题的数学定义
• 4.4 基于图论的SoC软／硬件协同综合方法
• 4.4.1 Core形式化定义
• 4.4.2 模型建立
• 4.4.3 问题转换
• 4.4.4 问题求解
• 4.4.4.1 顶点状态
• 4.4.4.2 算法步骤
• 4.4.4.3 算法分析
• 4.5 实例研究
• 4.6 小结
• 第五章 SOC软／硬件协同验证技术研究
• 5.1 SoC验证与测试的区别
• 5.2 验证级别
• 5.3 现有的软／硬件协同验证方法的分类及其不足
• 5.3.1 仿真验证方法
• 5.3.1.1 模拟
• 5.3.1.2 基于事务的验证
• 5.3.1.3 混合层次仿真
• 5.3.1.4 软／硬件协同仿真
• 5.3.2 形式化验证
• 5.3.2.1 模式检验
• 5.3.2.2 谓词抽象
• 5.4 基于时间着色Petrⅰ网的SoC软／硬件协同验证方法
• 5.4.1 问题的形式化描述
• 5.4.2 SoC设计的正确性验证
• 5.4.3 SoC设计的时间特性验证
• 5.5 实例研究
• 5.6 小结
• 第六章 SOC测试调度策略研究
• 6.1 SoC测试挑战
• 6.1.1 IP核级测试问题
• 6.1.2 芯片级测试问题
• 6.1.3 SoC测试调度问题
• 6.2 现有SoC测试调度方法及其不足
• 6.3 基于遗传算法的SoC测试调度策略
• 6.3.1 问题描述
• 6.3.2 遗传算法流程
• 6.3.3 编码策略
• 6.3.4 适应度函数
• 6.3.5 差分进化策略
• 6.3.6 自适应变异策略
• 6.4 实例研究
• 6.5 小结
• 第七章 全文总结及进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻博期间取得的研究成果
• 一.个人简历
• 二.科研成果
• 三.论文发表
• 四.获奖情况