基于ARM9内核SOC的软硬件协同验证

论文摘要

随着IC设计和制造技术的发展，芯片的设计规模越来越大。SOC已经成为当前IC发展的主流方向。SOC在单颗芯片上集成了众多IP以提高设计速度，这使SOC功能的复杂度急剧的提高，同时也给SOC的验证工作带来了巨大的挑战。与传统的ASIC验证不同，SOC的验证不仅包括了硬件的验证，还包括软件的验证。传统的验证技术已经不能满足SOC验证的需要，在SOC的系统级验证中，要采用软硬件协同验证方法。目前，验证是影响SOC项目开发进度的关键因素，它所需要的时间已经占到整个开发周期的70%左右。因此如何缩短验证时间，提高验证的质量，对缩短SOC芯片的上市时间具有决定性的意义。本论文的研究工作是以一个基于ARM9内核的SOC芯片开发项目为背景。论文首先简单的介绍了SOC的开发流程和传统的IC验证技术，包括功能验证、时序验证、形式验证、物理验证等。接着引出了SOC软硬件协同验证技术，重点讨论了目前广泛应用的两种软硬件协同验证的方案：基于仿真平台的协同验证和基于FPGA原型的协同验证。然后详细的介绍了待验证项目的SOC的系统架构和片上资源，其中，微处理器ARM9是系统软件和硬件进行交互的中介。本文最后两章详细地讨论上面提到的两种软硬件协同验证方案。在基于仿真平台的协同验证中，首先介绍了SOC的层次化功能验证和目前常用的几种软硬件协同仿真方法；然后重点论述本项目SOC的软硬件协同仿真系统的组成，包括硬件设计、软件设计和仿真平台的设计；最后本文以SPIM模块的协同仿真为例来说明此方案已成功实施。在基于FPGA原型的协同验证中，首先分析了用FPGA实现SOC的原型验证的可行性、目的及挑战；接着介绍了FPGA协同验证中的实用技术，如移植技术、调试技术等；然后重点介绍了本项目FPGA原型验证平台的设计和软硬件协同调试过程；最后本文以UART模块的FPGA验证来说明此方案也已成功实施。在项目实践过程中，本人已深刻的体会到两种验证方案各自的优缺点，仿真验证易于调试，但速度太慢，而FPGA验证速度够快，但调试不太方便。在实际的应用中，一般会根据不同的验证阶段和验证目标，采用两种方法相互配合，协调工作的方式进行验证，从而达到最佳的验证效果。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 论文主要内容
• 1.4 论文结构安排
• 第二章 SOC 验证技术
• 2.1 SOC 验证流程
• 2.2 传统的验证技术
• 2.2.1 功能仿真技术
• 2.2.2 时序分析技术
• 2.2.3 形式化验证技术
• 2.2.4 物理验证与分析技术
• 2.3 软硬件协同验证技术
• 2.3.1 协同验证的定义
• 2.3.2 协同验证的目的
• 2.3.3 协同验证的实现方案
• 2.4 本章小结
• 第三章 SOC 的系统架构和片上资源
• 3.1 系统架构
• 3.1.1 处理器
• 3.1.2 系统总线
• 3.1.3 存储单元
• 3.1.4 系统时钟
• 3.1.5 系统复位
• 3.2 片上资源
• 3.2.1 DMA 控制器
• 3.2.2 中断管理单元
• 3.2.3 安全控制单元
• 3.2.4 可测性设计模块
• 3.2.5 看门狗定时器
• 3.2.6 通讯接口
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于仿真平台的协同验证
• 4.1 SOC 层次化功能验证
• 4.1.1 模块验证
• 4.1.2 集成验证
• 4.1.3 系统验证
• 4.2 软硬件协同仿真方法的探讨
• 4.2.1 基于 C 语言建模的协同仿真
• 4.2.2 基于 RTL 描述的协同仿真
• 4.2.3 基于编程语言接口的协同仿真
• 4.2.4 基于 ESL 工具的协同仿真
• 4.3 软硬件协同仿真系统的组成
• 4.3.1 硬件设计
• 4.3.2 软件设计
• 4.3.3 仿真平台设计
• 4.4 协同仿真验证实例
• 4.4.1 SPIM 模块设计介绍
• 4.4.2 SPIM 模块的协同仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于 FPGA 原型的协同验证
• 5.1 FPGA 原型验证概述
• 5.1.1 FPGA 验证的可行性分析
• 5.1.2 FPGA 验证的目的
• 5.1.3 FPGA 验证的挑战
• 5.2 FPGA 原型验证技术的研究
• 5.2.1 FPGA 原型的设计要点
• 5.2.2 ASIC 向 FPGA 的移植技术
• 5.2.3 FPGA 协同验证中调试技术
• 5.3 FPGA 原型验证平台设计
• 5.3.1 原型系统的布局
• 5.3.2 原型系统的实现
• 5.3.3 FPGA 硬件实现流程
• 5.3.4 软硬件协同调试与验证
• 5.4 FPGA 协同验证实例
• 5.4.1 UART 模块设计介绍
• 5.4.2 UART 模块的 FPGA 验证
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文