Programare Avansata cu FPGA - 2 Definiţii. Tendinţe. Provocări.   Una din definiţiile cele mai simple şi cel mai des folosite pentru SoC (System on Chip) este: "SoC este un cip ce conţine toate componentele hardware precum şi toate circuitele electronice pentru un sistem complet. SoC conţine propria memorie (RAM şi ROM), un microprocesor, logica de control pentru porturile de I/O, sisteme de conversie a datelor precum şi toate celelalte componente necesare unui sistem de calcul minimal." [1]

Definiţii. Tendinţe. Provocări. O a doua definiţie des citată în literatura de specialitate este cea dată de Michael Keating în cartea " Reuse Methodology Manual for System-on-a-Chip Designs " [2]:   Un SoC trebuie să conţină: un microprocesor şi subsistemul de memorie aferent; interfeţe pentru sistemele exterioare; blocuri electronice pentru transformarea datelor primite din exterior (ADC/DAC); alte interfeţe de de I/O folosite pentru comunicarea cu exteriorul.

Definiţii. Tendinţe. Provocări. Cea de-a treia definiţie pe care o vom prezenta este dată de Henry Chang în cartea " Surviving the SOC Revolution. A Guide to Platform-Based Design " [3]:  "SoC este un circuit integrat complex ce integrează elementele funcţionale majore ale unui produs final într-un singur cip sau arie de cipuri electronice." Proiectul unui SoC poate să conţină: un procesor programabil; memorie integrată; unităţi hardware de accelerare a calculelor (DSP); interfeţe pentru sistemul de I/O; programe incorporate în memorie.

Definiţii. Tendinţe. Provocări. Principalele provocări în ceea ce priveşte proiectarea circuitelor de tip SoC au fost identificate la conferinţa SIA (Semiconductor Industry Association) din 1999: 1        Provocări actuale (1999): complexitatea; zgomot, putere, testare; tehnologia cuprului; metodologie SoC; verificarea integrităţii semnalului de ceas. 2 Provocări de viitor (2005) proiecare circuite 3D; sisteme embedded; testarea sistemelor realizate; convergenţa proiectării; reutilizabilitatea (Reuse & Design)

Un sistem SoC clasic Conform [2], un SoC clasic ar trebui să conţină: un microprocesor şi subsistemul de memorie aferent; interfeţe de interconectare; un controler de memorie; un decodor video; un controler pentru întreruperi şi timp; interfaţă de generală pentru I/O (GPIO); o interfaţă UART

Fluxul proiectarii SoC Pentru a răspunde cerinţelor specifice proiectării SoC, se folosesc de obicei două modalităţi de proiectare: de la un model de tip cascadă la un model de tip spirală; de la o metodologie de tip top-down la o combinaţie de top- down şi bottum-up.

Modelul tradiţional de proiectare „cascadă” [2] Principalele caracteristici ale acestui tip de dezvoltare a SoC sunt: dezvoltare hardware şi software concurenţionale şi în paralel; verificare şi sintetizare paralelă a modulelor; planificare şi „place and route” incluse în procesul de sinteză; dezvoltarea de module noi, doar dacă un macro hardware sau software nu există deja; planificare continuă a paşilor iteranţi.

Proiectarea în spirală [2] Principalele caracteristici ale acestui tip de dezvoltare a SoC sunt: dezvoltare hardware şi software concurenţionale şi în paralel; verificare şi sintetizare paralelă a modulelor; planificare şi „place and route” incluse în procesul de sinteză; dezvoltarea de module noi, doar dacă un macro hardware sau software nu există deja; planificare continuă a paşilor iteranţi.

Modelul Top-Down Procesul clasic de proiectare top-down poate fi vizualizat ca o rutină recursivă care începe cu specificaţiile şi analiza şi sfârşeşte cu integrarea şi verificarea: descrierea completă a specificaţiilor pentru sistemul şi sub-sistemele ce trebuiesc proiectate; rafinarea arhitecturii şi algoritmilor, incluzând proiectarea software şi simularea hardware/software dacă aceasta este necesară; descompunerea arhitecturii în macrouri bine definite; proiectarea sau alagerea macrourilor deja existente; aici apare fenumenul recursivităţii; integrarea macrourilor în proiect; verificarea funcţionalităţii şi a temporizărilor; livrearea sistemului/subsistemului nivelului următor de integrare; verificarea tuturor aspectelor proiectului (funcţionalitatea, temporizările, etc).

De ce combinaţie top-down şi bottom -up metodologia de proiectare top-down este o idealizare a ceea ce se poate obţine. o astfel de metodă de proiectare pleacă de la presupunerea că blocurile de la nivelul cel mai de jos pot într-adevar fi construite după anumite specificaţii. dacă acest lucru se dovedeşte imposibil, întreg procesul trebuie reluat de la zero din acest motiv, în lumea reală se foloseşte un amestec de modalităţi top-down şi bottom-up. Librăriile hardware/software cu macrouri reutilizabile facilitează în mod clar acest proces prin asigurarea unor blocuri deja verificate, asigurând astfel că măcar câteva parţi ale proiectului pot fi într-adevăr implementate.

Implementarea sistemelor de tip SoC în industrie LSI Logic: Diagrama tipică a acestei companii poate fi împărţită în două arii importante: „Front-end”: proiectarea şi planificarea fizică „Back-end”: proiectarea fizică şi verificarea. Generarea RTL, în fluxurile SoC avansate, trebuie să pornească de la o descriere de calitate a circuitului. Iată şi câţiva paşi ce trebuie urmaţi pentru a respecta cele afirmate anterior: înregistrarea tuturor ieşirilor modulului; utilizarea unui singur semnal de ceas pentru fiecare modul compilat; utilizarea doar a unei singuri muchii a semnalului de ceas; evitarea structurilor de mari dimensiuni; utilizarea unor de nume de variabile cât mai reprezentative; evitarea utilizării ieşirilor cu trei stări, precum şi a ciclurilor de tip feedback; utilizarea unei structuri ierarhice; asigurarea unei stări de reset totale a circuitului.

Fluxul de proiectare de la LSI Logic [2]

Fluxul de proiectare de la Infineon Fluxul de proiectare folosit la Infineon poate fi caracterizat ca fiind unul foarte stabil şi robust în proiectarea unor SoC din cele mai complexe şi mai performante ale momentului cum ar fi: TriCore ARM MIPS Carmel , dar este puternic concentrat în jurul tehnologiei denumită InWay. De ajutorul acestei tehnologii se pot folosi atât proiectanţii de circuite digitale cât şi cei de circuite analogice sau chiar amestecuri digital/analogic.

Fluxul de proiectare de la Infineon [2]

Structura SoC Microblaze Pentru o mai bună înţelegere a structurii SoC cu MicroBlaze, se poate urmări figura alăturată.