對基于SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確方法的爭論非常激烈。是傳統(tǒng)的寄存器傳送級(RTL)流程?還是C語言行為模型的高級綜合?減少了代碼生成的知識產(chǎn)權(quán)(IP)重用方法又怎樣呢?

對于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該怎樣從需求分析到制造實(shí)現(xiàn)，每個(gè)專家都有自己的觀點(diǎn)。每一觀點(diǎn)都基于自己的偏好，過去的經(jīng)驗(yàn)，或者——EDA供應(yīng)商本身會(huì)考慮產(chǎn)品供貨情況。但是在很多真實(shí)環(huán)境中，所有這些觀點(diǎn)可能都是不相干的。

原因很簡單：大部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)——據(jù)網(wǎng)站embedded.com最近的一項(xiàng)研究，55%的設(shè)計(jì)并不是新設(shè)計(jì)。它們實(shí)際上是對某類現(xiàn)有設(shè)計(jì)的修改。這一事實(shí)意味著，實(shí)際設(shè)計(jì)過程不僅僅取決于某些方法專家的建議，而且還要考慮需求的變化特性，以及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠得到的數(shù)據(jù)。結(jié)果可能是從形式驅(qū)動(dòng)的修訂過程，直至徹底的修改，甚至還有不可預(yù)測的改動(dòng)等。通常是，結(jié)果實(shí)際對整個(gè)系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)：不是因?yàn)楦膭?dòng)的范圍，而是因?yàn)闆]有重用規(guī)劃，也沒有能夠管理改動(dòng)的方法。

在本文中，我們將與方法專家和實(shí)際設(shè)計(jì)人員進(jìn)行討論，當(dāng)系統(tǒng)需求變化時(shí)，到底會(huì)怎樣，有沒有一種一致的方法。然后，我們將在幾種真實(shí)設(shè)計(jì)環(huán)境中應(yīng)用這種工作方法，通過它來建議應(yīng)采用怎樣的設(shè)計(jì)過程，怎樣使其更好的工作。

一些分類

至少在三種不同的環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)衍生設(shè)計(jì)(圖1 )。最明顯的是，現(xiàn)有設(shè)計(jì)的一系列需求變化定義了新項(xiàng)目后：例如，新功能、新外設(shè)，或者新的性能指標(biāo)等。

圖1.衍生設(shè)計(jì)分類

而至少還有其他兩類。一類是使用平臺(tái)設(shè)計(jì)，例如谷歌的Android平臺(tái)。Cadence的系統(tǒng)開發(fā)包產(chǎn)品市場集團(tuán)總監(jiān)Frank Schirrmeister特別指出了德州儀器的開放多媒體應(yīng)用平臺(tái)(OMAP)，這是一個(gè)很好的例子。他觀察到，OMAP平臺(tái)定義的擴(kuò)展平臺(tái)幾乎含有應(yīng)用領(lǐng)域中能夠想到的所有系統(tǒng)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過把未使用的模塊拿到平臺(tái)之外來產(chǎn)生某種例化，在某些情況下，重新優(yōu)化得到的設(shè)計(jì)。

第三類是相關(guān)的：使用參考設(shè)計(jì)。這一過程實(shí)際上是衍生設(shè)計(jì)的一個(gè)例子，但卻是重要的方法，它不同于自己修改現(xiàn)有設(shè)計(jì)，也不同于應(yīng)用一個(gè)平臺(tái)。

對于這三種情形，只有第一種可以被分類為衍生設(shè)計(jì)?；谄脚_(tái)的設(shè)計(jì)和基于參考的設(shè)計(jì)一般被認(rèn)為是新設(shè)計(jì)。但所有這三種都有共同的特性。它們從一個(gè)已經(jīng)完成的設(shè)計(jì)開始，然后，針對現(xiàn)有規(guī)范來對比新設(shè)計(jì)需求。它們找到與現(xiàn)有設(shè)計(jì)的不同，然后進(jìn)行實(shí)施。

第一步：有哪些變化?

這些設(shè)計(jì)過程都從一些新需求開始。每一過程的第一步是找到新需求和現(xiàn)有設(shè)計(jì)之間的不同點(diǎn)。理論上，這是一個(gè)嚴(yán)格的過程。我們可以通過對比最初的需求文檔和修改后的需求文檔來找到這些不同。但是在很多情況下，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)無法使用現(xiàn)有設(shè)計(jì)最初的、當(dāng)前的、正確的需求文檔。我們將在本文的后面討論這些情形。

我們理論過程的下一步是將每一需求變化分成行為、結(jié)構(gòu)和參數(shù)三類。行為變化——系統(tǒng)功能的變化，這是最常見的，據(jù)embedded.com研究，它占據(jù)了衍生設(shè)計(jì)的一半以上。有趣的是，目前自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具為它們提供的支持很少，只是提供一些表格。

作為對比，結(jié)構(gòu)變化指出了系統(tǒng)硬件或者軟件的某些改變：例如，操作系統(tǒng)的變化，增加或者去除了硬件模塊，或者改變了模塊之間的互聯(lián)等。在某些應(yīng)用中，例如通信基礎(chǔ)設(shè)施，系統(tǒng)I/O會(huì)經(jīng)常變化。Altera設(shè)計(jì)工作專家Kevin Weldon評論說：“我們一直和客戶一起工作，實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)工作頻率。但是現(xiàn)在，我們看到更多的變化出現(xiàn)在I/O中?？蛻粝Ｍ_定不會(huì)出現(xiàn)I/O阻塞。”

參數(shù)變化以可測量的指標(biāo)標(biāo)明變化量：例如，響應(yīng)時(shí)間、帶寬、供電電流，以及材料成本等。通過某些硬件和軟件模塊的需求文檔直至其含義，很容易找到這些變化，但是很難跟蹤。

找到相關(guān)性

在理想的環(huán)境中，從幾種相容的觀點(diǎn)看，存在一個(gè)最早的設(shè)計(jì)——這是我們從中獲得新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。我們不僅僅會(huì)有形式需求文檔，而且還有行為模型——可能同時(shí)以更抽象的C代碼以及會(huì)話級版本的形式提供。我們還會(huì)有硬件和軟件的模塊級體系結(jié)構(gòu)模型。對于實(shí)際實(shí)現(xiàn)，會(huì)有RTL和軟件代碼。

在這種環(huán)境中，下一步是觀察。我們通過修改行為模型來滿足行為需求的變化。結(jié)構(gòu)需求的變化會(huì)觸發(fā)對IP或者互聯(lián)，甚至是軟件功能的調(diào)整。參數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致實(shí)施層面代碼的修訂。

在每種情況下，我們都會(huì)有可追溯和設(shè)計(jì)無關(guān)文件，以確定我們進(jìn)行的調(diào)整會(huì)怎樣影響設(shè)計(jì)的其他部分(圖2 )，因此，例如，如果我們修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義或者設(shè)計(jì)中某一部分信號的帶寬，那么，我們就會(huì)知道，這些修改會(huì)影響設(shè)計(jì)中的哪些區(qū)域。工具會(huì)幫助我們保存從需求到實(shí)現(xiàn)的所有文檔。

圖2.可追溯性簡化了需求向工作聲明的轉(zhuǎn)換

每次調(diào)整后，我們會(huì)在適當(dāng)?shù)某橄蠹壷匦逻M(jìn)行仿真，以驗(yàn)證修改后的設(shè)計(jì)現(xiàn)在能否滿足新需求。然后，把這種修改傳遞到后面的底層抽象層，重新優(yōu)化，直到我們的新設(shè)計(jì)通過了驗(yàn)證。

Schirrmeister指出，這種理想化的過程非常依賴于兩組其他的數(shù)據(jù)，但不能保證可以使用這些數(shù)據(jù)。首先是使用場景。在正確的使用場景中，我們可以限制對修改后的設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，特別是對用戶比較重要的模式和輸入。如果沒有使用模型，我們需要確定新設(shè)計(jì)在所有可能的實(shí)際環(huán)境下都滿足現(xiàn)有以及修改后的需求。

其次是足夠的測試臺(tái)，針對整個(gè)系統(tǒng)和關(guān)鍵子系統(tǒng)。在實(shí)際中，測試臺(tái)體現(xiàn)了人類語言文檔無法表示的需求。很多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)認(rèn)識到這方面的不足，重新建立系統(tǒng)測試臺(tái)，這一項(xiàng)目規(guī)模與系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身一樣大——如果不能提供第三方SoC等關(guān)鍵元器件的數(shù)據(jù)，其規(guī)模會(huì)更大。

在真實(shí)環(huán)境中

對于一些設(shè)計(jì)人員組織而言，我們的理想化實(shí)例不一定具有可行性。汽車、交通、民用航空等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要面對ISO 26262或者DO 178B等標(biāo)準(zhǔn)，要求設(shè)計(jì)和測試臺(tái)中的每一單元都能夠追溯到需求文檔的控制單元。這些設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠找到設(shè)計(jì)中的哪一部分需要進(jìn)行測試，甚至進(jìn)行修改以符合需求的變化。他們可以指出哪些模塊需要在測試臺(tái)中進(jìn)行修改。這一開始就需要很大的投入。

但是在大部分實(shí)際設(shè)計(jì)中，很難實(shí)現(xiàn)形式需求的可追溯性。這種項(xiàng)目的可追溯性只存在于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)成員的大腦中。即使最初的設(shè)計(jì)人員還能夠說出，是什么原因讓他以某種方式來實(shí)現(xiàn)某一模塊，但是，在有人向他提問之前，他可能已經(jīng)離開公司了，或者不在這一行業(yè)中了。我們不得不質(zhì)疑我們的理想場景怎樣應(yīng)用在這些真實(shí)環(huán)境中。

在一個(gè)平臺(tái)上

考慮設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用平臺(tái)設(shè)計(jì)的情況。平臺(tái)一般是由SoC供應(yīng)商提供的，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的擴(kuò)展，而Android是個(gè)明顯的例外。您要針對這一體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行的嘗試都含在規(guī)范中。概念非常簡單。建立您自己的需求，找到您不需要的部分平臺(tái)，不用它們(圖3 )。然后，根據(jù)需要來優(yōu)化其他部分，以滿足參數(shù)約束。

圖3.去掉部分平臺(tái)，使平臺(tái)設(shè)計(jì)滿足特殊需求。

但是這一概念也面臨一些難題。首先，不一定有需求文檔。因此，團(tuán)隊(duì)不得不猜測平臺(tái)建立者的目的是什么，是否符合新需求。確定了不同點(diǎn)后，這就比較簡單了。例如，Android能夠適用于攝像機(jī)和麥克風(fēng)。如果您并不需要這些，就可以把這些功能去掉。

功能需求會(huì)更具挑戰(zhàn)性。您可能需要一臺(tái)攝像機(jī)來采集MPEG4視頻。但是，您還需要四個(gè)ARM內(nèi)核和一個(gè)DDR3 SDRAM接口嗎?用戶只是進(jìn)行網(wǎng)頁瀏覽，您還需要采集和壓縮視頻嗎?使用模型和功能需求的缺乏會(huì)迫使您進(jìn)行大量的系統(tǒng)級仿真，以發(fā)現(xiàn)哪些模塊實(shí)際參與了您需要支持的工作。

Schirrmeister觀察到，“您要明確新需求到底意味著什么。我曾處理過一個(gè)項(xiàng)目，其視頻處理器需要采用信箱格式。這聽起來只是簡單的增加輸出格式。我們一開始沒有認(rèn)識到的是系統(tǒng)的工作方式，信箱格式使我們只有很少的時(shí)間對每一幀進(jìn)行解碼，因此，這對設(shè)計(jì)其他部分的性能要求很高。實(shí)際情況是理解需求變化的含義。”

參數(shù)需求的挑戰(zhàn)性更大。您不得不在RTL上采用芯片模型運(yùn)行系統(tǒng)仿真，確定平臺(tái)能否滿足所需的規(guī)范要求。而且，幾個(gè)層面的仿真模型、精確的使用模型以及大量的測試臺(tái)都是實(shí)際設(shè)計(jì)平臺(tái)的關(guān)鍵組成。

修改上一次設(shè)計(jì)

從平臺(tái)開始進(jìn)行工作，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)只需要把模塊從平臺(tái)中取出并進(jìn)行優(yōu)化，就可以確定能夠滿足需求。但如果是從以前的設(shè)計(jì)開始工作，或者難度更大的是，采用第三方參考設(shè)計(jì)開始工作，情況又會(huì)怎樣呢?原理不變。但是在真實(shí)環(huán)境中，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)有設(shè)計(jì)上一般不會(huì)有跟蹤需求，也可能沒有良好的系統(tǒng)或者模塊級仿真模型，或者完全適用的測試臺(tái)。方法取決于技巧。

挑戰(zhàn)是從找到有哪些變化開始。Altera設(shè)計(jì)專家Stacy Martin認(rèn)為：“這一過程一般沒有什么順序而言。團(tuán)隊(duì)查看規(guī)范，找到特性或者接口的不足，然后，解決這些問題。”

現(xiàn)在要復(fù)雜一些。如果這些變化就含在現(xiàn)有實(shí)現(xiàn)的功能范圍內(nèi)，那就可以進(jìn)行優(yōu)化。也可能會(huì)超出現(xiàn)有設(shè)計(jì)的范圍。或者，沒有可信的需求文檔時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從系統(tǒng)級模型中正確的估算出性能，再次進(jìn)行仿真以找到現(xiàn)有設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)什么。實(shí)際上，團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以便重新生成該設(shè)計(jì)的需求。沒有正確的使用模型和良好的測試臺(tái)，在開始任何重新設(shè)計(jì)之前，團(tuán)隊(duì)會(huì)有很大的投入花在理解需求上。

這是很大的挑戰(zhàn)。Martin說：“設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)嘗試盡可能多的重新使用設(shè)計(jì)。但是，您盡力嘗試重用后，發(fā)現(xiàn)有時(shí)候最好還是從頭開始設(shè)計(jì)。”

在真實(shí)環(huán)境中，實(shí)際上衍生設(shè)計(jì)有不同的方法。我們這里介紹的只是一小部分，這與設(shè)計(jì)人員找到需求變化的技巧有關(guān)。最初的設(shè)計(jì)人員在可重用性上的投入越大——在需求、行為、結(jié)構(gòu)和實(shí)施層面上維持正確的設(shè)計(jì)版本；鎖定使用模型；建立自適應(yīng)測試臺(tái)；這樣，真實(shí)環(huán)境衍生設(shè)計(jì)就越能夠接近其理想形式。

產(chǎn)品線工程

但真實(shí)環(huán)境總是在變化。目前，在軍事、航空航天以及交通系統(tǒng)等某些應(yīng)用中，需求可追溯性已經(jīng)成為合同條款。非常復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及高成本的一次性SoC設(shè)計(jì)投入也會(huì)有這種要求。在目前的很多行業(yè)中，成本和復(fù)雜度壓力改變了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和方法。

新機(jī)遇意味著新的芯片設(shè)計(jì)。但是，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)越來越多的傾向于不再進(jìn)行新設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)維持并繼續(xù)重新應(yīng)用系列知識產(chǎn)權(quán)內(nèi)核以及完整的測試臺(tái)，偶爾嘗試新的金屬掩模，很少使用全新的模板。對于每一設(shè)計(jì)是中心硬件/軟件IP衍生的應(yīng)用，實(shí)際上都是產(chǎn)品線工程。

是否成功取決于設(shè)計(jì)重用的自動(dòng)化。IP裝配程度也取決于能夠嚴(yán)格追溯需求的方法，跟蹤到測試臺(tái)模塊、硅片IP模塊，以及軟件模塊，很容易從以前的系統(tǒng)級行為模型轉(zhuǎn)到詳細(xì)的硅片仿真和軟件調(diào)試。這也是IBM的智能物理基礎(chǔ)設(shè)施副總裁Meg Selfe的觀點(diǎn)。

Selfe說，產(chǎn)品線工程的基礎(chǔ)設(shè)施跨過了三個(gè)領(lǐng)域——工具、過程和最佳實(shí)踐。其中，令人吃驚的是，一般并不缺少工具。Selfe報(bào)告說：“我們通常和具有很多工具的組織一起工作。難點(diǎn)是，并不是通過一致的平臺(tái)來連接工具，因此，流程中有人工步驟。人工步驟導(dǎo)致出現(xiàn)中斷。”

Selfe強(qiáng)調(diào)說，從傳統(tǒng)的SoC設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向產(chǎn)品線工程時(shí)——不僅要考慮下一設(shè)計(jì)需求，還要考慮企業(yè)是怎樣運(yùn)轉(zhuǎn)的。Selfe建議，“確定在您的設(shè)計(jì)過程中要實(shí)現(xiàn)什么，找到原因，進(jìn)行糾正。”

她注意到，目前，可追溯設(shè)計(jì)流程最大的不足出現(xiàn)在需求和測試臺(tái)之間。今后，在早期系統(tǒng)建模文化中，系統(tǒng)模型與其測試臺(tái)之間的差異會(huì)越來越小。目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境中完整的系統(tǒng)模型成為某一子系統(tǒng)詳細(xì)模型的測試臺(tái)。需求變化會(huì)與設(shè)計(jì)和測試臺(tái)中所有受影響的模塊相關(guān)聯(lián)。測試覆蓋標(biāo)準(zhǔn)會(huì)直接轉(zhuǎn)換成對設(shè)計(jì)需求覆蓋范圍的精確估算。設(shè)計(jì)會(huì)在自動(dòng)關(guān)注是否滿足需求變化上加大投入，而不是重新建立設(shè)計(jì)中沒有變化的部分，也不會(huì)復(fù)制IP中已有的功能。