基于FPGA的可層疊組合式SoC原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在復(fù)雜片上系統(tǒng)SoC的設(shè)計(jì)過程中，驗(yàn)證仿真是影響項(xiàng)目進(jìn)度的關(guān)鍵因素。隨著芯片生產(chǎn)和制造工藝的提高，SoC設(shè)計(jì)的規(guī)模、復(fù)雜度和成本也在不斷增加。這些因素大大增加了Soc設(shè)計(jì)一次成功的難度，但反過來也促進(jìn)了芯片和系統(tǒng)級(jí)仿真驗(yàn)證工具和方法的發(fā)展。在SoC芯片設(shè)計(jì)中，仿真驗(yàn)證所占比重越來越大，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，仿真驗(yàn)證時(shí)間占SoC芯片研發(fā)周期的80%[1]，SoC邏輯錯(cuò)誤是造成SoC芯片設(shè)計(jì)失敗的主要原因，因此先進(jìn)的設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證方法成為SoC設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。
　　大規(guī)模SoC仿真驗(yàn)證手段有兩種：一是采用專用的硬件加速器，另一種是采用FPGA原型進(jìn)行系統(tǒng)邏輯驗(yàn)證。第一種方案的缺點(diǎn)在于只能加速特定的SoC設(shè)計(jì)，不具備通用性，而且價(jià)格昂貴?；贔PGA的SoC原型驗(yàn)證方法使用靈活、成本較低，目前被很多公司采用，已經(jīng)成為SoC驗(yàn)證的最常用方式。目前大約2/3的SoC設(shè)計(jì)可以采用單FPGA原型，而另外1/3則需要多FPGA原型。因?yàn)檫@些超大規(guī)模SoC的設(shè)計(jì)邏輯量大大超出了目前最大FPGA芯片的容量，所以設(shè)計(jì)者必須對(duì)邏輯進(jìn)行分割。分割后的多個(gè)模塊分別加載到不同F(xiàn)PGA中，解決了單FPGA芯片容量不足的問題[2]。但是這種基于FPGA組的原型驗(yàn)證系統(tǒng)是由多片大容量FPGA構(gòu)成的，成本高昂，不適合中小規(guī)模SoC設(shè)計(jì)，也不具備通用性。
　　本文設(shè)計(jì)了一種高度靈活的基于FPGA的可層疊組合式SoC原型驗(yàn)證系統(tǒng)。采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，通過創(chuàng)新性的互補(bǔ)連接器結(jié)構(gòu)和JTAG控制電路設(shè)計(jì)，可支持1～5個(gè)原型模塊的層疊組合。其中每個(gè)原型模塊配備了500萬門的FPGA，既可獨(dú)立構(gòu)成小型SoC驗(yàn)證系統(tǒng)，也可以層疊構(gòu)成2 500萬門的超大規(guī)模SoC驗(yàn)證系統(tǒng)。此外，原型模塊通過USB2.0接口可以和PC主機(jī)交換數(shù)據(jù)，構(gòu)成軟/硬件協(xié)同驗(yàn)證系統(tǒng)[3]。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多款SoC芯片的驗(yàn)證，其中數(shù)字電視地面標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制芯片BHDTMBT1006已經(jīng)成功流片。
1 SoC原型模塊設(shè)計(jì)
　　設(shè)計(jì)基于FPGA的SoC原型模塊，需考慮的主要因素有FPGA的邏輯資源、速度等級(jí)、擴(kuò)展能力、PCB信號(hào)質(zhì)量以及易于調(diào)試等。其中，最重要的指標(biāo)就是FPGA的邏輯資源。目前已經(jīng)大批量生產(chǎn)的成熟FPGA芯片中，邏輯資源最大的是Altera公司的StratixII系列EP2S180，相當(dāng)于500萬邏輯門。對(duì)于SoC驗(yàn)證來說，穩(wěn)定性和可靠性十分重要，因此原型模塊的電路板結(jié)構(gòu)和電路進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。
1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　復(fù)雜的SoC設(shè)計(jì)一般都需要外圍存儲(chǔ)器，因此原型模塊上配備了常用的儲(chǔ)存器件。其中包括了DDRII SDRAM、Nand型和Nor型Flash芯片，這些就是嵌入式CPU所需要的外設(shè)資源。另外，可視化的調(diào)試工具對(duì)于芯片設(shè)計(jì)人員十分重要。在復(fù)雜SoC內(nèi)部有大量的信號(hào)需要觀察，傳統(tǒng)的示波器和邏輯分析儀器很難滿足信號(hào)數(shù)量的要求。因此，需要通過通用的接口，如USB、PCI等，在驗(yàn)證平臺(tái)和PC機(jī)之間建立數(shù)據(jù)通信通道，用來觀測各種信號(hào)。原型模塊中采用了應(yīng)用廣泛的USB 2.0高速接口，并且設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和可視化測試。USB2.0接口被幾乎所有的筆記本電腦廠家采用，因此本平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)方便攜帶和移動(dòng)，不依賴于臺(tái)式機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)層疊組合，原型模塊采用了高度集成的電源系統(tǒng)和高速高密度連接器來實(shí)現(xiàn)小型化和高性能。另外，板卡采用全部工業(yè)級(jí)器件，可以直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境或者野外環(huán)境，滿足了工業(yè)領(lǐng)域SoC和軍品領(lǐng)域SoC的驗(yàn)證需要。
　　為了追求高性能，原型模塊采用了12層PCB板精心設(shè)計(jì)，保證了信號(hào)完整性、速度以及一些關(guān)鍵的時(shí)鐘路徑。采用Cadence公司的PCB設(shè)計(jì)軟件Allegro進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用SigXplore軟件進(jìn)行信號(hào)完整性分析。特別是4個(gè)高速連接的信號(hào)采用了等長處理和阻抗匹配，每個(gè)連接器的任意2個(gè)信號(hào)的延遲控制在50 ps范圍內(nèi)，保證了高速連接器的差分信號(hào)最高頻率支持1 GHz，單端信號(hào)最高頻率支持600 MHz。系統(tǒng)框圖如圖1。

1.2 互補(bǔ)連接器和JTAG控制器設(shè)計(jì)
　　高速連接器采用了SAMTEC公司的QSH/QTH系列高速差分連接器，最高頻率支持8 GHz。高速連接器分成4組，每組由互補(bǔ)的兩個(gè)連接器構(gòu)成，其中一個(gè)置于板卡頂層（Top），另外一個(gè)放置于板卡相同位置的底層（Bottom），這樣可以實(shí)現(xiàn)原型模塊的垂直層疊。
　　每個(gè)連接器都具有JTAG相關(guān)的管腳。頂層連接器JTAG相關(guān)的管腳為Top_tms、Top_tclk、Top_tdi和Top_tdo；底層連接器JTAG相關(guān)的管腳為Bottom_tms、Bottom_tclk、Bottom_tdi和Bottom_tdo。這一對(duì)互補(bǔ)連接器對(duì)外統(tǒng)一的JTAG信號(hào)定義為TMS、TCLK、TDI和TDO。這些信號(hào)的連接關(guān)系利用使能信號(hào)控制，頂層連接器上有板卡連接，Top_enable有效；底層連接器有板卡連接，則Bottom_enable有效。JTAG控制器的對(duì)外連接如圖2所示。

　　對(duì)于JTAG信號(hào)，TMS和TCLK是共用信號(hào)，所以JTAG控制模塊主要控制TDI和TDO的連接關(guān)系。其中Top_enable信號(hào)由板卡外部輸入，當(dāng)有板卡連接時(shí)，Top_enable有效，否則為無效。Bottom_enable信號(hào)由板卡上撥碼開關(guān)控制。
　　當(dāng)頂層連接器和底層連接器都不接外部板卡時(shí)， JTAG控制器模塊內(nèi)部連接關(guān)系如圖3所示，即Bypassed模式。當(dāng)頂層連接器上有板卡連接時(shí)，Top_enable有效，JTAG鏈要經(jīng)過頂層的板卡環(huán)路到主板，JTAG控制器模塊內(nèi)部連接關(guān)系如圖4所示。

　　如果底層連接器上有板卡連接，則Bottom_enable有效，JTAG鏈要經(jīng)過底層的板卡環(huán)路到主板，JTAGController模塊內(nèi)部連接關(guān)系如圖5所示。如果頂層和底層的連接器上都有板卡連接，即top_enable和Bottom_enable都有效，JTAG鏈要經(jīng)過頂層和底層的板卡再環(huán)路到主板，JTAGController模塊內(nèi)部連接關(guān)系如圖6所示。

　　整個(gè)SoC驗(yàn)證模塊上共有4組這樣的連接器，每組連接器都有各自的JTAG控制器。
2 SoC原型模塊層疊方法
　　單FPGA的方案無法滿足驗(yàn)證所需要的邏輯規(guī)模，可以采用多個(gè)模塊層疊組合的方式來構(gòu)建更大規(guī)模的SoC驗(yàn)證系統(tǒng)。借助EDA軟件，如Synplify公司的Certify軟件，可以將規(guī)模較大的RTL設(shè)計(jì)劃分成多個(gè)模塊，分別下載到多個(gè)FPGA上實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證。這就要保證層疊組合在一起的多個(gè)板卡上FPGA的JTAG鏈相互連接構(gòu)成一個(gè)完整的回路，實(shí)現(xiàn)配置和測試的一致性。
　　沒有任何層疊擴(kuò)展的SoC原型模塊JTAG環(huán)路如圖7所示，原型模塊的JTAG連接器通過下載電纜和PC主機(jī)的EDA軟件聯(lián)通起來。板上的JTAG信號(hào)經(jīng)過FPGA主芯片后，閉環(huán)反饋給PC主機(jī)。板上4組連接器沒有連接任何板卡，因此都是Bypassed模式。

2.1 垂直層疊模式
　　垂直層疊模式是將SoC原型模塊邊沿對(duì)齊，垂直堆疊連接起來。每個(gè)FPGA都可以通過4個(gè)連接器與其他FPGA通信，共享最多480個(gè)IO管腳。這種模式支持2～4個(gè)原型模塊層疊，可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用。以兩個(gè)原型模塊垂直層疊為例，其JTAG環(huán)路示意圖如圖8所示。其中，原型模塊1位于原型模塊2的上方，通過高速連接器A來實(shí)現(xiàn)JTAG鏈閉合回路。由于模塊1的A組底層連接器與模塊2的A組頂層連接器相連，因此模塊1的Bottom_Enable開關(guān)要設(shè)置為使能狀態(tài)。

　垂直層疊模式需要占用原型模塊的全部4個(gè)連接器，不能再支持其他功能擴(kuò)展模塊，如高速AD/DA模塊、視頻采集模塊等，因此適合外圍接口較少的SoC驗(yàn)證。如果外圍接口應(yīng)用豐富，如多媒體SoC驗(yàn)證，就需要采用平鋪式層疊模式。
2.2 平鋪層疊模式
　　平鋪層疊模式是將一個(gè)SoC驗(yàn)證模塊作為系統(tǒng)主控模塊位于上方，其他SoC驗(yàn)證模塊作為輔助模塊平鋪于下方。每個(gè)輔助模塊通過一個(gè)連接器和主控模塊通信，共享120個(gè)I/O管腳。這種模式支持5個(gè)原型模塊層疊。輔助模塊另外的3個(gè)連接器可以用來擴(kuò)展多種類型的接口板，可以實(shí)現(xiàn)非常豐富的接口類型。
　　以5個(gè)原型模塊平鋪層疊為例，其JTAG環(huán)路示意圖如圖9所示。其中原型模塊1為主控模塊，其他為輔助模塊。

3 原型驗(yàn)證實(shí)例
　　DTMB是具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國數(shù)字電視地面廣播傳輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，采用了多項(xiàng)利于提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)，適用于固定和移動(dòng)兩種數(shù)字電視接收模式，并支持多業(yè)務(wù)的混合模式。BHDTMBT1006是北航通信測控技術(shù)研究所自主研發(fā)的地面數(shù)字電視多媒體廣播基帶調(diào)制芯片，其原型驗(yàn)證就是在本文設(shè)計(jì)的SoC驗(yàn)證系統(tǒng)上完成的。
　　BHDTMBT1006芯片的內(nèi)部框圖如圖10所示。在SoC原型模塊上，驗(yàn)證程序以芯片的實(shí)際工作頻率來運(yùn)行“實(shí)速”驗(yàn)證，驗(yàn)證環(huán)境如圖11所示。

　　在SoC原型模塊上主要測試了以下8種模式，包括：
　　(1)FEC 0.4，長交織，4QAM，PN420，C＝3780，無導(dǎo)頻
　　(2)FEC 0.4，長交織，4QAM，PN420，C＝1，無導(dǎo)頻
　　(3)FEC 0.6，長交織，64QAM，PN420，C＝3780，無導(dǎo)頻
　　(4)FEC 0.6，長交織，64QAM，PN420，C＝1，無導(dǎo)頻
　　(5)FEC 0.8，長交織，4QAM－NR，PN595，C＝3780，有導(dǎo)頻
　　(6)FEC 0.8，長交織，4QAM－NR，PN595，C＝1，有導(dǎo)頻
　　(7)FEC 0.8，長交織，16QAM，PN595，C＝3780，有導(dǎo)頻
　　(8)FEC 0.8，長交織，16QAM，PN595，C＝1，有導(dǎo)頻
　　在信號(hào)幀長度為4 200個(gè)符號(hào)情況下，系統(tǒng)有效凈荷數(shù)據(jù)率測試結(jié)果如表1所示。

　　經(jīng)過SoC原型模塊驗(yàn)證后，BHDTMBT1006芯片已經(jīng)成功流片。封裝后樣片的測試結(jié)果與SoC原型測試參數(shù)一致。
　　本文提出了一種基于FPGA的可層疊組合式SoC原型驗(yàn)證系統(tǒng)，并且給出了實(shí)現(xiàn)方法。由于采用了創(chuàng)新性的互補(bǔ)型連接器和JTAG控制器，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)原型模塊的拼接組合，可以適用于不同領(lǐng)域、不同規(guī)模的SoC原型驗(yàn)證。結(jié)合了軟件硬件協(xié)同設(shè)計(jì)流程，大大降低了SoC驗(yàn)證的復(fù)雜度，提高了SoC系統(tǒng)驗(yàn)證的效率。