開(kāi)放核協(xié)議—IP核在SoC設計中的接口技術(shù)
摘 要：本文介紹了IP核的概念及其在SoC設計中的應用，討論了為提高IP核的復用能力而采用的IP核與系統的接口技術(shù)。
關(guān)鍵詞：SoC；IP核；OCP
引言
隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展,深亞微米工藝加工技術(shù)允許開(kāi)發(fā)上百萬(wàn)門(mén)級的單芯片，已能夠將系統級設計集成到單個(gè)芯片中即實(shí)現片上系統SoC。IP核的復用是SoC設計的關(guān)鍵，但困難在于缺乏IP核與系統的接口標準，因此，開(kāi)發(fā)統一的IP核接口標準對提高IP核的復用意義重大。本文簡(jiǎn)單介紹IP核概念，然后從接口標準的角度討論在SoC設計中提高IP核的復用度，從而簡(jiǎn)化系統設計和驗證的方法，主要討論OCP(開(kāi)放核協(xié)議)。
圖1 OCP工作原理示意
圖2 讀/寫(xiě)操作的時(shí)序
圖3 讀/寫(xiě)狀態(tài)機
OCP簡(jiǎn)介
基于IP核復用技術(shù)的SoC 設計使芯片的設計從以硬件為中心轉向以軟件為中心，芯片設計不再是門(mén)級的設計，而是IP核和接口及其復用設計。IP核集成到系統所要考慮的問(wèn)題包括：同步，例如全局執行、數據交換和協(xié)議方面的同步操作；協(xié)議轉換，不同模塊間不兼容的協(xié)議的轉換，封裝可用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但需要考慮時(shí)序約束；I/O緩存，為滿(mǎn)足系統行為和時(shí)序約束可能需要緩存數據。另外，出于對核設計的保護會(huì )故意隱藏一些信息，而這些信息在集成時(shí)可能需要。為解決這些問(wèn)題需要一個(gè)好的接口標準，一些大公司現在已有自己的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實(shí)的，OCP將軟件中的分層概念應用到IP核接口，提供一種具有通用結構定義、可擴展的接口協(xié)議，方便了IP核與系統的集成。
OCP協(xié)議使IP核與系統的接口與IP核的功能無(wú)關(guān)，設計人員不需要了解核內部也能利用它進(jìn)行系統設計。OCP接口允許設計者根據不同的目的配置接口，包括接口的數據寬度、交換的握手協(xié)議等，在SoC設計中可以裁剪核的功能，降低設計復雜性，減小面積，同時(shí)滿(mǎn)足SoC的要求；OCP接口還保持核在集成到系統的過(guò)程中自身完全不被改變，就是說(shuō)在總線(xiàn)寬度、總線(xiàn)頻率或電氣負載有變化時(shí)核保持不變。使用OCP接口的設計可以交付即插即用的模塊，同時(shí)支持核的開(kāi)發(fā)與系統設計并行，節省設計時(shí)間。
OCP接口運行機制
OCP定義兩個(gè)通信實(shí)體間點(diǎn)到點(diǎn)的接口。其中一個(gè)實(shí)體作為通信的主體(Master)，另一個(gè)作為從體(Slave)。只有Master可以發(fā)命令，Slave響應Master的命令，接收或發(fā)送數據。封裝接口模塊必須擔當每個(gè)連接實(shí)體的對應端，當連接實(shí)體是Master時(shí)，封裝接口模塊就作為對應的Slave；當連接實(shí)體是Slave時(shí)，封裝接口模塊作Master。
OCP的工作原理如圖1所示。圖中有三個(gè)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(lái)并進(jìn)入Slave的箭頭表示請求命令，從Slave出來(lái)并進(jìn)入Master的箭頭表示響應；加黑的線(xiàn)段代表片上互連總線(xiàn)。兩個(gè)IP核通過(guò)接口通信的過(guò)程是：作為Master的 IP核發(fā)出請求命令給對應的Slave端(總線(xiàn)封裝接口模塊)；封裝接口模塊通過(guò)片上總線(xiàn)將請求命令(OCP并不指定片上互連總線(xiàn)的工作機制，而是把OCP命令轉換成總線(xiàn)上的傳送)傳送給接收方的總線(xiàn)封裝模塊；接收方的總線(xiàn)封裝模塊再作為Master把這種內部總線(xiàn)傳輸轉換成合法的OCP命令傳送給目標IP核；其作為Slave方接收命令并執行所要求的操作。
每一個(gè)OCP接口都是可根據連接實(shí)體的要求進(jìn)行配置的(通過(guò)選擇需要的信號或某一信號的位寬)，也是互相獨立的，例如系統中通信發(fā)起者總是會(huì )需要比目標方更多的地址位數用來(lái)選擇發(fā)起者所要求的目標。
OCP接口信號
OCP通過(guò)命令完成實(shí)體間的通信操作，在接口為選擇的命令配置相應信號，所有的信號都是在時(shí)鐘上升沿采樣，是完全的同步設計。OCP接口信號包括數據信號、邊帶信號和測試信號。數據信號又分為基本信號、簡(jiǎn)單擴展信號、猝發(fā)信號和多線(xiàn)程擴展信號。所有IP核都需要基本數據信號中的一組信號，其他可選信號用于支持通信需要，實(shí)現可配置和可擴展性。
基本數據信號包括：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(lèi)型，包括讀、寫(xiě)和廣播類(lèi)型的八種命令。簡(jiǎn)單擴展信號增加了OCP接口地址空間、字節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，可設置不同猝發(fā)傳輸模式的參數。多線(xiàn)程擴展信號支持OCP接口的多線(xiàn)程處理。邊帶信號傳送諸如復位、中斷、錯誤和核特性標志等控制信息，也是IP核與系統間交換控制和狀態(tài)信息的手段，可以同請求／響應信號異步，但與時(shí)鐘上升沿同步。測試信號支持掃描、時(shí)鐘控制和JTAG。
OCP接口時(shí)序及接口狀態(tài)機
以簡(jiǎn)單讀寫(xiě)操作的時(shí)序為例說(shuō)明OCP接口時(shí)序要求，如圖2所示。
在上升沿1處OCP Master方通過(guò)將MCmd由Idle變?yōu)閃r開(kāi)始進(jìn)入請求狀態(tài)，在此周期內把地址A1和數據D1分別送到MAddr和MData信號線(xiàn)上，Slave必須在同一個(gè)周期內發(fā)出SCmdAccept有效信號；Slave在上升沿2處開(kāi)始接收地址和數據并進(jìn)行內部寫(xiě)操作；在上升沿4處MCmd賦值為Rd，OCP進(jìn)入讀請求狀態(tài)，在這個(gè)周期內Master方將地址放在MAddr信號線(xiàn)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(kāi)始響應階段，請求階段結束，根據從MAddr獲得的地址讀取數據并放到SData信號線(xiàn)上；在上升沿6處開(kāi)始Master方收到Slave的響應信號并開(kāi)始讀數據，響應階段完成。
圖3是在讀、寫(xiě)操作中請求階段和響應階段主、從兩方的狀態(tài)機。
Master和Slave都是從IDLE狀態(tài)開(kāi)始，當檢測到MCmd變?yōu)樽x或寫(xiě)時(shí)Master轉為請求階段，Slave轉到讀或寫(xiě)狀態(tài)。如果是讀操作，Master的請求狀態(tài)持續到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)轫憫獱顟B(tài)，Master進(jìn)入IDLE狀態(tài)；SResp是NULL時(shí)，Slave沒(méi)有進(jìn)入響應狀態(tài)Master進(jìn)入Wait Resp狀態(tài)，等待Slave進(jìn)入響應狀態(tài)。如果是寫(xiě)操作，沒(méi)有響應信號，當SCmdAccept有效時(shí)Master的請求階段結束進(jìn)入IDLE狀態(tài),Slave處理寫(xiě)操作，完成后進(jìn)入IDLE狀態(tài)。
結語(yǔ)
OCP是基于核的免費開(kāi)放的接口協(xié)議，可以根據不同IP核的通信要求進(jìn)行配置和擴展，能夠實(shí)現硬件集成真正的即插即用，允許系統集成根據應用需要選擇最好的IP核和互聯(lián)機制。OCP為IP核設計提供了解決可配置性和接口的較好辦法，實(shí)現了IP核與系統集成的Socket接口，能夠做到核的模塊化和即插即用特性。
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