SoC設(shè)計(jì)中的IP軟核與硬核的對比及方案選擇

IP核可以兩種形式提供給客戶：軟核和硬核。兩種方式都可使客戶獲得在功能上經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)。軟核也被稱為可綜合內(nèi)核，需要由客戶進(jìn)行綜合并在其SoC上實(shí)現(xiàn)。而硬核已完全實(shí)現(xiàn)（完成了版圖設(shè)計(jì)），可直接用于制造。（從技術(shù)上說，一種設(shè)計(jì)只有生產(chǎn)后才能實(shí)現(xiàn)。但是在此情況下，實(shí)現(xiàn)的意思是指安排布局并可直接投入生產(chǎn)）。SoC團(tuán)隊(duì)只需將硬核像一個單片集成電路片那樣置入芯片即可。軟核和硬核具有不同的問題和好處。

將IP核整合到一個芯片上需要很多步驟。這個過程是否能夠很容易地完成，主要取決于提供的交付成果。另外，客戶不僅必須對IP核進(jìn)行評估，而且還要評估IP提供商。

軟核與硬核的對比

1. 性能

由于軟核沒有實(shí)現(xiàn)，因此它天生在功能和實(shí)現(xiàn)方面比硬核更加靈活。另一方面，硬核開發(fā)者可能要花更多的時間來優(yōu)化他們的硬核，因?yàn)樗鼈円诤芏嘣O(shè)計(jì)中使用。因此，這使人們覺得硬核會提供更高的性能。

事實(shí)上，為那些最先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)的高端、全定制硬核確實(shí)能夠提供比軟核更好的性能。通過使用鎖存、動態(tài)邏輯、三態(tài)信號、定制存儲器等，全定制設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能實(shí)現(xiàn)比完全靜態(tài)綜合的設(shè)計(jì)更好的結(jié)果。對于需要達(dá)到現(xiàn)有工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)極限性能的SoC來說，全定制硬核能夠更好地滿足這些要求。

然而，如果性能目標(biāo)在一個軟核范圍內(nèi)，那么硬核的優(yōu)勢就無關(guān)緊要了。SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠使用軟核來滿足性能要求，并利用其固有的靈活性優(yōu)勢。而隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，軟核的最高頻率限制也在提高，使它們成為更多SoC設(shè)計(jì)師的一種選擇。在較低時鐘頻率下，硬核或許具有硅片面積方面的優(yōu)勢。但是情況往往并不是這樣。硬核經(jīng)常簡單地使用ASIC的方法進(jìn)行固化，使之不能提供速度上的優(yōu)勢。在其他情況下，全定制內(nèi)核不能根據(jù)每一代工藝進(jìn)行重新優(yōu)化，所以削弱了頻率和尺寸上的優(yōu)勢。

2. 技術(shù)獨(dú)立和可移植性

軟核的優(yōu)勢之一是技術(shù)獨(dú)立的，也就是說，Verilog或VHDL不需要使用一種特定的工藝技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)的單元庫。這意味著同一個IP核能夠應(yīng)用到多種設(shè)計(jì)中，或現(xiàn)有設(shè)計(jì)的下一代中。一些軟核提供商采用使其內(nèi)核技術(shù)上非獨(dú)立的設(shè)計(jì)風(fēng)格，但是這種方式看不到什么優(yōu)勢。

圖1：受IP核影響的開發(fā)任務(wù)。

另一方面，硬核在技術(shù)上是非常特定的。事實(shí)上，如果代工廠改變其工藝參數(shù)或庫，硬核可能就無法正常工作。這就產(chǎn)生了一個風(fēng)險，因?yàn)樵诠に噮?shù)改變時，IP提供商需要重新對硬核進(jìn)行驗(yàn)證。

硬核能夠移植到新的工藝技術(shù)，但是重新優(yōu)化全定制內(nèi)核的工作既費(fèi)事又昂貴。對于一些先進(jìn)的微處理器內(nèi)核，這可能要花兩年或更長的時間。因此，硬核經(jīng)常根據(jù)新的工藝進(jìn)行光學(xué)調(diào)整。雖然這一方法既簡單又快速，但是它減少了由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對現(xiàn)有工藝進(jìn)行全定制優(yōu)化的許多優(yōu)勢。

不僅如此，光學(xué)調(diào)整同時帶來了另一個風(fēng)險，因?yàn)樗荒鼙ＷC新的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)規(guī)則，而不能保證準(zhǔn)確的時序或功能，而且重新全面驗(yàn)證經(jīng)過光學(xué)調(diào)整的IP核是非常困難的。

3. 速度/面積/功率優(yōu)化

對于要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)來說，硬核通常比可比較的軟核運(yùn)行速度更快。但是即使對于這單種技術(shù)來說，硬核也僅僅是針對一組目標(biāo)而優(yōu)化。如果目標(biāo)是在合理的性能上使芯片面積更小，那么對于這種應(yīng)用來說，為高度可調(diào)性能而優(yōu)化的硬核可能就太大了。

軟核是能夠被“應(yīng)用優(yōu)化”的。為適合特定的嵌入式SoC設(shè)計(jì)，時序、面積和功率目標(biāo)可能需要進(jìn)行調(diào)整。例如：如果SoC使用200MHz的時鐘，那么設(shè)計(jì)運(yùn)行在250MHz的軟IP內(nèi)核可以改為準(zhǔn)確地運(yùn)行在200MHz上。這在得到更小尺寸和更低功率的同時滿足了設(shè)計(jì)約束。

這種應(yīng)用優(yōu)化也適用于低層IO時序。軟內(nèi)核的IO約束可以進(jìn)行調(diào)整，以準(zhǔn)確配合內(nèi)核的使用環(huán)境。如果硬內(nèi)核有延遲輸出信號，SoC設(shè)計(jì)師幾乎無法改善時序。

如果SoC的速度、面積和功率目標(biāo)與硬核的目標(biāo)相符，那么硬核將極具競爭力。但對于大多數(shù)設(shè)計(jì)師來說，軟核在為特定的SoC優(yōu)化方面更具優(yōu)勢。

4. 可定制性

軟核相對硬核還具有另外一個優(yōu)勢：編譯時間定制化。這些是實(shí)現(xiàn)之前的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。

高速緩沖存儲器的內(nèi)存大小就是一種常見的編譯時間用戶定制項(xiàng)目。根據(jù)特定嵌入式應(yīng)用所需的高速緩沖存儲器的大小，軟核處理器能夠精確地被配置。而硬核在這方面就不能被定制。

另一種在許多軟核中應(yīng)用的定制項(xiàng)目就是指令專用，或選擇性支持某種特殊指令。例如，一些SoC可能需要對外部協(xié)處理器的支持。然而，在一些不使用這些特性的系統(tǒng)中，多余的硬件可從軟核中去掉，以節(jié)省面積和功率。

軟核還可以包括實(shí)現(xiàn)配置參數(shù)。這是一種特殊的編譯時間定制，可幫助軟核更好地配合SoC團(tuán)隊(duì)使用的設(shè)計(jì)風(fēng)格。例如，微處理器內(nèi)核經(jīng)常通過使用門控時鐘電路來實(shí)現(xiàn)，但這種時鐘不能與某些時鐘布線工具很好配合。如果處理器內(nèi)核可提供一種將所有門控時鐘變?yōu)橄嗟鹊?a href="http://ttokpm.com/tags/多路復(fù)用器/" target="_blank">多路復(fù)用器（MUX）的編譯時間設(shè)置，SoC團(tuán)隊(duì)可使實(shí)現(xiàn)更為容易。

5. 易于集成

軟核很可能更容易被集成到SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用的流程中，除非內(nèi)部設(shè)計(jì)小組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了硬核。其原因是SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將在他們認(rèn)可的IP核周圍添加RTL模塊。這些內(nèi)核看上去就像另外的SoC模塊，也可像它們一樣地實(shí)現(xiàn)。

另一方面，硬核看上去更像一個黑匣子RAM，特別是在它采用全定制技術(shù)實(shí)現(xiàn)時。這意味著硬核提供商將需要為該內(nèi)核提供更多的黑匣子模型，使SoC設(shè)計(jì)師能夠在其周圍設(shè)計(jì)其模塊。這本身就比使用軟核更困難。例如，全定制硬核也許沒有門級網(wǎng)表。這是因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)已經(jīng)在晶體管級完成，而沒有使用邏輯門。但是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能需要通過背注時序運(yùn)行門級功能仿真，因?yàn)槿鄙匍T級網(wǎng)表，這將難以進(jìn)行。

附加提供物

一個有競爭力的軟IP核不只是一個Verilog或VHDL源文件的集合。出于同樣原因，一個好的硬核也不只是一個版圖數(shù)據(jù)庫。今天的IP核包含一系列可交付使用的提供物，可使SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將IP核整合到他們的設(shè)計(jì)中。這些附加提供物的目標(biāo)是使IP核盡可能容易地整合到設(shè)計(jì)流程的各個環(huán)節(jié)。

圖1顯示了采用不同IP核的SoC開發(fā)活動。這里包括了軟核和硬核都必需的一些可交付使用的提供物。

1. 文檔創(chuàng)建

清晰和簡練的文檔是大多數(shù)技術(shù)產(chǎn)品的先決條件。然而，需要參考IP核文檔的人差異非常大，這使IP核技術(shù)文檔創(chuàng)建面臨非常大的挑戰(zhàn)。

在圖1中，每一個開發(fā)活動都有不同的文檔需求。例如，軟件開發(fā)者需要了解硬件的可編程特性，但他們可能不關(guān)心它是怎樣實(shí)現(xiàn)的。因此，一組好的文檔可使軟件開發(fā)者更容易發(fā)現(xiàn)他們所需的信息，而不致被大量無用的信息困擾。

最后，如果SoC團(tuán)隊(duì)要為能復(fù)用部分IP核文檔的SoC創(chuàng)建文檔，IP提供商應(yīng)該提供可編輯的源文件和引用權(quán)。

2. 接口檢查器

SoC團(tuán)隊(duì)必須設(shè)計(jì)邏輯，以便與不同信號和IP核協(xié)議進(jìn)行接口。為了確定其設(shè)計(jì)是否正確，IP提供商能夠提供接口檢查器模塊，以驗(yàn)證所有接口信號和協(xié)議的正確運(yùn)行。它可能與確認(rèn)不變的靜態(tài)信號一樣簡單，也可能像驗(yàn)證多周期總線協(xié)議的正確運(yùn)行一樣復(fù)雜。

這些檢查器通過自動驗(yàn)證給定接口處理類型是否正確運(yùn)行的工作，大大簡化SoC團(tuán)隊(duì)的工作。在一個非法處理的情況下，檢查器應(yīng)該報告錯誤，使SoC設(shè)計(jì)師能夠容易地查明有缺陷的邏輯并排除故障。接口檢查器必須在SoC設(shè)計(jì)環(huán)境中準(zhǔn)確工作。它們應(yīng)該能夠非常容易地整合到功能仿真中，而不是以一種實(shí)際硬件的形式出現(xiàn)。

3. 協(xié)議制表器

IP提供商能夠提供另一種交付成果使接口驗(yàn)證變得更加容易，這就是協(xié)議制表器。這是一個監(jiān)測接口處理的模塊，可觀察到各種特殊狀況。協(xié)議制表器保存所有可見的處理類型并報告沒被運(yùn)行的“邊際”（corner case）。IP提供商必須提供一個進(jìn)行接口完全驗(yàn)證所需的邊角情況表。

在開發(fā)過程中，協(xié)議制表器將幫助SoC團(tuán)隊(duì)決定哪些“邊際”情況需要繼續(xù)驗(yàn)證。一旦開發(fā)結(jié)束，它同時確保通知SoC團(tuán)隊(duì)已經(jīng)執(zhí)行了所有必需的“邊際”情況驗(yàn)證。由于IP提供商對內(nèi)核接口具有最佳的理解，這個“邊際”情況表將比SoC團(tuán)隊(duì)能夠想象的任何方案更加完善。

4. RAM檢查器

如果一個IP核擁有SoC團(tuán)隊(duì)必須編譯和整合的內(nèi)部隨機(jī)存儲器，在處理過程中有可能引入瑕疵。排除由深度嵌入式RAM導(dǎo)致的故障對于SoC團(tuán)隊(duì)是一件非常困難的事情，因?yàn)樗?jīng)常涉及通過內(nèi)核模塊跟蹤故障的工作。RAM檢查器能夠大大簡化排除RAM模塊導(dǎo)致的故障的工作。（當(dāng)SoC團(tuán)隊(duì)不得不通過一個IP核來排除故障時，這是一個非常糟的情況。他們應(yīng)該能夠信賴它的正確運(yùn)行。）

5. 快速仿真模型

對于SoC設(shè)計(jì)師來說，用一個大型IP核的RTL仿真完整的SoC可能非常緩慢。如果IP提供商能夠提供一個周期精確的內(nèi)核快速功能模型，客戶將從更快速仿真、更快速調(diào)試及更少地使用仿真授權(quán)中獲益。即使是一個非周期精確的模型，對于大多數(shù)SoC設(shè)計(jì)和調(diào)試已經(jīng)足夠好了。只要最后運(yùn)行周期精確模型，在開發(fā)過程中就可以從快速功能模型中受益。

6. EDA工具支持

另一個內(nèi)核質(zhì)量指標(biāo)是EDA工具的支持情況。由于不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能使用不同的工具，支持多種EDA工具的多種形式的可交付使用成果是目前先進(jìn)內(nèi)核經(jīng)常能提供的。

例如，一個IP核使用Verilog設(shè)計(jì)而成，但那些使用基于VHDL的EDA工具和方法的客戶仍會要求VHDL。如果一個內(nèi)核只針對Verilog，那么SoC團(tuán)隊(duì)在使用該內(nèi)核時，將不得不忍受一個麻煩且容易發(fā)生錯誤的轉(zhuǎn)換過程。

此外，IP提供商應(yīng)該提供比需求格式更多的東西。不同的EDA工具可能有標(biāo)準(zhǔn)格式的不同實(shí)現(xiàn)方法。在以上的例子中，IP提供商不能僅為Verilog客戶提供Verilog RTL，它必須支持客戶使用特定的Verilog仿真器。否則，該客戶可能要調(diào)試與IP提供商所用的略微不同的Verilog仿真器相關(guān)的設(shè)計(jì)問題。

這個概念實(shí)際上適用于所有交付成果。對于硬核，這個概念同樣可在實(shí)現(xiàn)階段應(yīng)用。硬核必須以一種被SoC團(tuán)隊(duì)后端工具所支持的形式提供。而且IP提供商必須支持客戶使用的特殊后端工具。

對硬核來說，這個概念在實(shí)現(xiàn)階段同樣適用。硬核必須以能被SoC團(tuán)隊(duì)后端工具支持的形式提供，而且IP提供商必須支持使用特定的后端工具。

7. EDA腳本實(shí)例

為了幫助快速展開各種設(shè)計(jì)活動，IP提供商應(yīng)該提供所支持EDA工具的實(shí)例腳本。這是IP提供商幫助SoC團(tuán)隊(duì)有效地使用IP核進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一種方法。該腳本可能如makefiles一樣簡單，可實(shí)現(xiàn)匯編功能仿真器。這些腳本也可能如一個全套的、針對功能回歸執(zhí)行的自動化設(shè)計(jì)腳本一樣復(fù)雜。在任何情況下，實(shí)例腳本對于SoC設(shè)計(jì)師來說總是很有用。

對于軟核來說，實(shí)例綜合腳本幾乎是必要的。至少它們應(yīng)該提供頂層約束、故障路徑和多周期路徑。如果可能，應(yīng)該同時提供實(shí)現(xiàn)若干工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)綜合方法學(xué)的腳本。當(dāng)然，這些實(shí)例腳本越簡單，對于SoC設(shè)計(jì)師來說就越容易理解、進(jìn)行修改并集成到他們的流程中。

8. 功能內(nèi)核驗(yàn)證

雖然SoC設(shè)計(jì)師不會修改軟IP核的RTL設(shè)計(jì)，但是他們確實(shí)會改變作為芯片設(shè)計(jì)常規(guī)部分的一些功能。這樣的例子包括掃描鏈接插入、時鐘緩存和RAM BIST集成。SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要驗(yàn)證這些改變不會對內(nèi)核的正確運(yùn)行產(chǎn)生影響。

驗(yàn)證新設(shè)計(jì)在功能上與以前設(shè)計(jì)沒有改變的一種方法是采用IP提供商提供的測試基準(zhǔn)和測試套件，以全面驗(yàn)證內(nèi)核是否正確運(yùn)行。不幸的是，對于許多內(nèi)核來說，完整的測試套件太大了，以至于不能作為IP核的一部分來提供。因此，大多數(shù)IP提供商選用完整驗(yàn)證套件組的子集，它同樣能夠驗(yàn)證運(yùn)行。大多數(shù)情況下，對于發(fā)現(xiàn)那些由以上設(shè)計(jì)變化類型引起的錯誤來說，這個子集已經(jīng)足夠了。

然而，形式驗(yàn)證工具對于保證正確運(yùn)行是一個更徹底的方法。這些工具可精確地驗(yàn)證新設(shè)計(jì)與老設(shè)計(jì)的相同之處。支持形式驗(yàn)證工具可使SoC團(tuán)隊(duì)無需運(yùn)行門級回歸。

9. 軟件協(xié)同開發(fā)工具

為新系統(tǒng)開發(fā)軟件的標(biāo)準(zhǔn)方式是，首先生產(chǎn)硬件樣片，然后開發(fā)運(yùn)行在上面的軟件。然而，在很多情況下這延長了產(chǎn)品上市時間，因此軟件開發(fā)經(jīng)常與硬件開發(fā)平行進(jìn)行。

軟件開發(fā)比硬件開發(fā)需要快得多的系統(tǒng)仿真。因此IP提供商必須提供一個非常快的IP核功能模型。這為低層固件的開發(fā)提供了足夠的性能。

對于更高的仿真速度，有時會使用硬件邏輯仿真器，它可比純仿真快一個數(shù)量級（雖然這仍然比實(shí)際硬件慢2至3個數(shù)量級）。這些工具非常難用，而且需要特殊的綜合。對于計(jì)劃進(jìn)行硬件和軟件協(xié)同開發(fā)的SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來說，支持這些技術(shù)是對IP核的一個關(guān)鍵要求。

評估IP提供商

1. 是否設(shè)計(jì)成可復(fù)用？

例如，一個未對IP核產(chǎn)品做出完全承諾的IP提供商，它的產(chǎn)品可能只是將以前的設(shè)計(jì)重新封包成IP核。而一家認(rèn)真致力于構(gòu)建高質(zhì)量內(nèi)核的公司從一開始就把可復(fù)用作為設(shè)計(jì)理念。

首先，留意那些其源代碼為全定制硬核的軟核。由于這些原始設(shè)計(jì)不是針對可綜合的，與針對可綜合而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品相比，其性能較差。在創(chuàng)建一個硬核時，可以基于已知實(shí)現(xiàn)風(fēng)格進(jìn)行優(yōu)化。但是，對于一個軟核，不應(yīng)采用這種投機(jī)取巧的方法，因?yàn)樗鼈兛赡軐?dǎo)致非功能性的或非理想的實(shí)現(xiàn)。

在尋找一個軟核時，需要注意的另一個問題是寄存的接口信號。通過寄存IO，內(nèi)部邏輯在時序上可獨(dú)立于SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的任何方案。而且，它易于實(shí)現(xiàn)時序的可預(yù)測性，并為SoC設(shè)計(jì)師提供非常好的時序約束。所有這些使得SoC設(shè)計(jì)師更加輕松。

一個從一開始就針對可復(fù)用性而設(shè)計(jì)的軟核常常擁有更多的配置選擇，而且在執(zhí)行中有更好的靈活性。它同時很可能考慮用于多種設(shè)計(jì)環(huán)境。一個沒有考慮可復(fù)用的設(shè)計(jì)將在功能和實(shí)現(xiàn)方面缺乏靈活性。

2. 完整的產(chǎn)品線

好的IP提供商的另一個標(biāo)志是擁有完整的IP核產(chǎn)品線。如果你選擇軟核，應(yīng)該確認(rèn)該公司提供的是考慮了未來產(chǎn)品改進(jìn)的完整軟核產(chǎn)品線。如果你選擇硬核，應(yīng)確認(rèn)它可提供所有你將使用的工藝技術(shù)，他們是否計(jì)劃擴(kuò)展其提供的軟核產(chǎn)品？他們?nèi)绾斡?jì)劃將硬核移植到新一代工藝？

3. 維護(hù)與支持情況

產(chǎn)品維護(hù)和支持的質(zhì)量不是IP核特有的選擇因素，但是應(yīng)小心那些缺乏全力支持的新興公司。即使是成熟的公司，維護(hù)IP核所必需的基礎(chǔ)架構(gòu)一定程度上也是專門的。以下是注意事項(xiàng)匯總：

* 這家公司是否有一個清晰地為用戶提供文檔的方式，以幫助解答問題；

* 支持SoC隊(duì)伍的費(fèi)用如何（你是否存在失去支持的危險）；

* 這家公司能否坦白地披露設(shè)計(jì)中的缺陷；

* 這家公司發(fā)布修復(fù)缺陷新版本的頻率如何；

* IP提供商是否發(fā)布維護(hù)版本，為IP核增加新的功能或其他成果（如提供更多EDA工具支持）；

* 一旦需要技術(shù)支持，這家公司的反饋如何？

* 如果技術(shù)支持反饋時間太慢，這個問題能改善嗎？

* 第一線的技術(shù)支持人員的素質(zhì)如何？

在很多情況下，技術(shù)支持的質(zhì)量并不是最初決定購買IP內(nèi)核的因素。但是在設(shè)計(jì)隊(duì)伍非常需要幫助的時候，支持不到位可能變成一個主要問題。最佳的技術(shù)支持是項(xiàng)目成功的必要因素。

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