劉承禹，田 澤，王 婷，劉 浩

(1.中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710068)

FC-AV協(xié)議處理SoC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉承禹1,2，田 澤1,2，王 婷1,2，劉 浩1,2

(1.中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710068)

航電系統(tǒng)中往往需要多種視頻格式，每種視頻格式都有不同的幀速率、分辨率、像素密度、幀/場(chǎng)格式。FC-AV協(xié)議為滿足這種需求，定義了不同的視頻格式在光纖通道上統(tǒng)一的映射標(biāo)準(zhǔn)。為了滿足新一代航電系統(tǒng)數(shù)字視頻信號(hào)的高速傳輸需求，并突破國(guó)外技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)、核心技術(shù)自主保障，必須自主設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)FC-AV協(xié)議處理SoC。以SoC芯片的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證流程及方法為指導(dǎo)，重點(diǎn)論述了FC-AV協(xié)議處理SoC的設(shè)計(jì)和軟硬件協(xié)同驗(yàn)證。目前，F(xiàn)C-AV協(xié)議處理SoC已經(jīng)流片，對(duì)樣片進(jìn)行了性能測(cè)試和系統(tǒng)驗(yàn)證。結(jié)果表明，F(xiàn)C-AV協(xié)議處理SoC完全滿足航電系統(tǒng)對(duì)視頻在FC網(wǎng)絡(luò)高速傳輸?shù)墓δ芎托阅苄枨蟆?/p>

光纖通道音視頻協(xié)議；片上系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；驗(yàn)證

0 引 言

光纖通道(Fibre Channel，F(xiàn)C)協(xié)議由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)T11委員開(kāi)發(fā)[1]，是一種高速傳輸數(shù)據(jù)、音頻和視頻信號(hào)的ANSI串行通信標(biāo)準(zhǔn)[2]。FC綜合了通道和網(wǎng)絡(luò)兩方面的優(yōu)點(diǎn)，具有高速率、低延遲、強(qiáng)實(shí)時(shí)性、抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低、對(duì)距離不敏感、拓?fù)潇`活、支持多種上層協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。

光纖通道音視頻協(xié)議[6-7](Fibre Channel protocol for Audio-Video，F(xiàn)C-AV)是FC-4層的一個(gè)高層協(xié)議，定義了音頻、視頻數(shù)據(jù)到FC網(wǎng)絡(luò)上的映射方法[8-10]，為在FC網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)字音視頻提供了一種標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足航空航天和軍用系統(tǒng)中高速、實(shí)時(shí)性、任務(wù)關(guān)鍵性的數(shù)字音視頻傳輸需要。

從航電系統(tǒng)的低功耗、高性能、高可靠、超小型化的技術(shù)發(fā)展需求和航電系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中大量圖形圖像以及視頻的高速傳輸任務(wù)需求出發(fā)，采用SoC設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)面向新一代綜合化航電系統(tǒng)的FC-AV協(xié)議處理SoC芯片，是突破國(guó)外技術(shù)封鎖、實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新的需要，也是實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)、核心技術(shù)自主保障的需要。

文中針對(duì)FC-AV的應(yīng)用，采用SoC設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了FC-AV協(xié)議處理SoC。首先介紹了FC-AV協(xié)議處理SoC的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證流程及方法，在此基礎(chǔ)上對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，隨后對(duì)其模塊設(shè)計(jì)與驗(yàn)證和虛擬平臺(tái)及FPGA原型的軟硬件協(xié)同驗(yàn)證進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，最后對(duì)其物理設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的全過(guò)程進(jìn)行了介紹。

1 FC-AV協(xié)議處理SoC設(shè)計(jì)、驗(yàn)證流程及方法

FC-AV協(xié)議處理SoC設(shè)計(jì)以IP復(fù)用為基礎(chǔ)，通過(guò)IP的集成，完成整個(gè)SoC系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，以縮短設(shè)計(jì)周期，并以較低成本完成該SoC設(shè)計(jì)。同時(shí)，該SoC設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作，以達(dá)到系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)性能[11]。

FC-AV協(xié)議處理SoC設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程分為四個(gè)階段。

(1)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)。

進(jìn)行FC-AV協(xié)議處理SoC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟硬件的劃分，按功能劃分系統(tǒng)下的功能單元(模塊)，并規(guī)定軟硬件的接口。

(2)模塊設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

對(duì)各個(gè)功能模塊的電路進(jìn)行RTL級(jí)設(shè)計(jì)，并對(duì)其功能點(diǎn)進(jìn)行基于Testbench的仿真驗(yàn)證。如果所有功能點(diǎn)的驗(yàn)證均通過(guò)，即進(jìn)行互連集成；如果驗(yàn)證未通過(guò)，即修改RTL設(shè)計(jì)，直到驗(yàn)證通過(guò)。

(3)軟硬件協(xié)同驗(yàn)證。

搭建虛擬原型驗(yàn)證環(huán)境，同時(shí)開(kāi)發(fā)FPGA驗(yàn)證板，基于模塊功能和系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)軟件驗(yàn)證程序，若有必要開(kāi)發(fā)基于操作系統(tǒng)的驗(yàn)證軟件和應(yīng)用軟件，并行進(jìn)行虛擬原型和FPGA原型的軟硬件協(xié)同驗(yàn)證。如果驗(yàn)證均通過(guò)，即進(jìn)行物理設(shè)計(jì)；如果驗(yàn)證未通過(guò)，即查找問(wèn)題，修改設(shè)計(jì)，直到驗(yàn)證通過(guò)。

(4)物理設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

進(jìn)行芯片級(jí)邏輯綜合、DFT設(shè)計(jì)、版圖規(guī)劃、布局布線等，并在此過(guò)程中完成靜態(tài)時(shí)序分析，形式驗(yàn)證和后仿真。若仿真通過(guò)，即可流片；若仿真未通過(guò)，即修改物理設(shè)計(jì)，直到仿真通過(guò)。

四個(gè)階段的設(shè)計(jì)驗(yàn)證完成后，即可進(jìn)行流片、封裝、測(cè)試及系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證等工作。

2 FC-AV協(xié)議處理SoC系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)

FC-AV協(xié)議處理SoC系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 FC-AV協(xié)議處理SoC系統(tǒng)架構(gòu)

該芯片采用CoreConnect總線進(jìn)行片上互連，各個(gè)功能單元通過(guò)PLB0、PLB1和OPB進(jìn)行連接，PPC460處理器通過(guò)軟件操作實(shí)現(xiàn)對(duì)掛接在總線上的各功能模塊和單元進(jìn)行管理。PCIe主機(jī)接口單元實(shí)現(xiàn)主機(jī)對(duì)FC-AV協(xié)議處理的控制接口功能，數(shù)字RGB輸入輸出接口單元分別實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，F(xiàn)C-AV協(xié)議處理單元實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)與FC網(wǎng)絡(luò)之間的映射，兩組DDR2控制器分別作為視頻數(shù)據(jù)的收發(fā)緩存接口，與片外DDR2存儲(chǔ)器連接。

FC-AV協(xié)議處理SoC芯片作為一款用于FC網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩斯?jié)點(diǎn)芯片，需要滿足視頻數(shù)據(jù)在FC網(wǎng)絡(luò)高速傳輸?shù)男枨?。?shù)字RGB輸入輸出接口支持800*600@60 Hz，1 024*768@60 Hz，1 280*1 024@30 Hz，1 400*1 050@30 Hz，1 600*1 200@30Hz五種視頻分辨率，并支持動(dòng)態(tài)切換和視頻輸入容錯(cuò)；FC-AV協(xié)議處理單元符合FC-PI-4、FC-FS和FC-AV協(xié)議，支持2.125 Gbps的FC傳輸速率，并進(jìn)行雙余度設(shè)計(jì)；DDR2控制器的數(shù)據(jù)速率為400 MHz，數(shù)據(jù)位寬為32位；PCIe主機(jī)接口支持x4、x1模式，通道速率2.5 Gbps；PPC460處理器工作頻率為125 MHz；整個(gè)SoC支持FC-AV幀發(fā)送和接收獨(dú)立處理的全雙工工作模式。

在FC-AV協(xié)議處理單元中，信息交互區(qū)和寄存器組實(shí)現(xiàn)了在FC-AV協(xié)議處理中軟件和硬件的接口，片上處理器PPC460通過(guò)PLB0總線、片外處理器通過(guò)PCIe主機(jī)接口均可以控制整個(gè)FC-AV協(xié)議處理的管理。

此外，系統(tǒng)還集成了VIC、WDT、UART、GPIO、TIMER等通用功能單元，豐富了系統(tǒng)功能。片內(nèi)集成兩個(gè)128 kB的SRAM，實(shí)現(xiàn)指令和數(shù)據(jù)的緩存，并集成外部存儲(chǔ)器接口EMC，實(shí)現(xiàn)處理器程序加載等功能。

3 FC-AV協(xié)議處理SoC模塊設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

FC-AV協(xié)議處理SoC以IP復(fù)用為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，PPC460處理器、PCIe主機(jī)接口、DDR2控制器等均為成熟IP，在此不作介紹。下面重點(diǎn)介紹數(shù)字RGB輸入接口、數(shù)字RGB輸出接口和FC-AV協(xié)議處理單元的邏輯設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。

3.1 數(shù)字RGB輸入接口設(shè)計(jì)

數(shù)字RGB輸入接口的功能是對(duì)外部輸入的符合VESA標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字RGB視頻信號(hào)進(jìn)行格式檢查和視頻有效數(shù)據(jù)提取，并將有效數(shù)據(jù)按DDR2的位寬組織，然后通過(guò)DDR2控制器緩存在DDR2存儲(chǔ)器中，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

首先將外部輸入的數(shù)字RGB視頻信號(hào)中的幀起始、行起始和數(shù)據(jù)有效信號(hào)進(jìn)行毛刺過(guò)濾，小于8個(gè)時(shí)鐘周期的信號(hào)被當(dāng)作毛刺過(guò)濾，只有大于8個(gè)時(shí)鐘周期的信號(hào)才能通過(guò)過(guò)濾，認(rèn)為是有效、穩(wěn)定的信號(hào)；其次，將過(guò)濾后的信號(hào)進(jìn)行幀起始、行起始的極性判斷和處理；然后，按視頻行采集有效RGB數(shù)據(jù)，并按像素順序?qū)GB數(shù)據(jù)組織為32位數(shù)據(jù)，以行為單位，交替寫(xiě)入兩個(gè)異步FIFO，在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，進(jìn)行格式判斷，當(dāng)視頻行數(shù)和行像素與VESA標(biāo)準(zhǔn)不符時(shí)，報(bào)出中斷；最后，寫(xiě)控制交替讀取兩個(gè)異步FIFO中的視頻行數(shù)據(jù)，并添加行號(hào)，寫(xiě)入發(fā)送DDR2控制器，完成視頻數(shù)據(jù)的緩存。

圖2 數(shù)字RGB輸入接口電路結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)字RGB輸出接口設(shè)計(jì)

數(shù)字RGB輸出接口的功能是將接收DDR2存儲(chǔ)器中緩存的從FC網(wǎng)絡(luò)中接收的視頻像素?cái)?shù)據(jù)讀出，并嚴(yán)格按照VESA標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)視頻分辨率的數(shù)據(jù)RGB視頻信號(hào)，并輸出，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字RGB輸出接口電路結(jié)構(gòu)

在此接口電路，讀控制電路在檢查到接收DDR2存儲(chǔ)器中有緩存的完整視頻幀時(shí)，開(kāi)始按視頻行讀取視頻數(shù)據(jù)，并寫(xiě)入同步FIFO，當(dāng)同步FIFO中的數(shù)據(jù)被視頻組幀電路讀取完后，讀控制電路從DDR2存儲(chǔ)器中讀取下一行視頻數(shù)據(jù)；視頻組幀電路讀取同步FIFO中的視頻像素?cái)?shù)據(jù)，并按照VESA標(biāo)準(zhǔn)添加相應(yīng)視頻分辨率的消隱數(shù)據(jù)和信號(hào)，組成數(shù)據(jù)RGB視頻幀，并寫(xiě)入異步FIFO；最后，視頻發(fā)送電路以對(duì)應(yīng)視頻分辨率的時(shí)鐘頻率讀取異步FIFO中的視頻幀信號(hào)數(shù)據(jù)，并輸出，完成數(shù)據(jù)RGB視頻信號(hào)輸出。

3.3 FC-AV協(xié)議處理單元設(shè)計(jì)

FC-AV協(xié)議處理單元的功能是在視頻發(fā)送時(shí)，將發(fā)送DDR2存儲(chǔ)器中緩存的視頻數(shù)據(jù)按FC-AV協(xié)議映射到FC幀，并轉(zhuǎn)換成FC網(wǎng)絡(luò)的串行數(shù)據(jù)，發(fā)送到FC網(wǎng)絡(luò)；在視頻接收時(shí)，將FC網(wǎng)絡(luò)上的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成FC-AV幀，并提取視頻數(shù)據(jù)，緩存在接收DDR2存儲(chǔ)器中。

FC-AV協(xié)議處理單元實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)與FC網(wǎng)絡(luò)之間的映射，視頻發(fā)送和接收均為雙余度設(shè)計(jì)，且相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了全雙工設(shè)計(jì)，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在視頻發(fā)送時(shí)，DDR2讀控制電路以視頻行為單位，通過(guò)發(fā)送DDR2控制器讀取發(fā)送DDR2存儲(chǔ)器中緩存的視頻數(shù)據(jù)，并交替寫(xiě)入異步FIFO A和異步FIFO B，異步FIFO C和異步FIFO D；發(fā)送控制電路交替將異步FIFO的數(shù)據(jù)讀出，并按FC-AV協(xié)議，組織成FC-AV幀；FC核將FC-AV幀轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)發(fā)送到FC網(wǎng)絡(luò)，完成視頻發(fā)送，在此過(guò)程中，余度使能時(shí)，發(fā)送控制0、FC核0通路和發(fā)送控制1、FC核1通路同時(shí)發(fā)送，否則只發(fā)送控制0、FC核0通路發(fā)送。

圖4 FC-AV協(xié)議處理單元電路結(jié)構(gòu)

在視頻接收時(shí)，F(xiàn)C核將FC網(wǎng)絡(luò)上的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成FC-AV幀，接收控制電路將FC-AV幀中的視頻數(shù)據(jù)提取出來(lái)，并通過(guò)接收DDR2控制器寫(xiě)入接收DDR2存儲(chǔ)器，完成視頻接收。在此過(guò)程中，接收控制電路默認(rèn)接收來(lái)自FC核0的FC-AV幀，當(dāng)FC核0下線，且FC核1在線時(shí)，切換接收來(lái)自FC核1的FC-AV幀，反之亦然。

3.4 模塊級(jí)驗(yàn)證

在FC-AV協(xié)議處理SoC的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，IP/模塊級(jí)驗(yàn)證是整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程的第一步，對(duì)IP/模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行充分的功能正確性驗(yàn)證是邏輯設(shè)計(jì)正確性的首要保障。其側(cè)重點(diǎn)是驗(yàn)證模塊內(nèi)部功能，其優(yōu)點(diǎn)是可以方便地驗(yàn)證到模塊功能的臨界點(diǎn)和極限點(diǎn)，激勵(lì)輸入容易加入，調(diào)試除錯(cuò)手段豐富[12]。

模塊級(jí)驗(yàn)證主要采用HDL語(yǔ)言，其步驟如下：

(1)驗(yàn)證策劃。根據(jù)模塊功能規(guī)范，針對(duì)各個(gè)IP/模塊功能，制定出完備的驗(yàn)證規(guī)范。

(2)搭建驗(yàn)證環(huán)境。依據(jù)驗(yàn)證規(guī)范，開(kāi)發(fā)完備的基于Testbench的驗(yàn)證環(huán)境。

(3)仿真驗(yàn)證。按照驗(yàn)證規(guī)范，對(duì)應(yīng)每個(gè)驗(yàn)證項(xiàng)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的testcase，給設(shè)計(jì)施加激勵(lì)并觀察其響應(yīng)，分析、觀察各個(gè)IP/模塊級(jí)功能是否正確。

對(duì)于數(shù)字RGB輸入接口，需要開(kāi)發(fā)符合VESA標(biāo)準(zhǔn)的800*600@60 Hz，1024*768@60 Hz，1 280*1 024@30 Hz，1 400*1 050@30 Hz，1 600*1 200@30 Hz五種視頻分辨率的視頻源，并對(duì)視頻源多像素、少像素、多視頻行、少視頻行的容錯(cuò)性，不同分辨率視頻切換輸入進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)證。

對(duì)于數(shù)字RGB輸出接口，重點(diǎn)驗(yàn)證對(duì)800*600@60 Hz，1 024*768@60 Hz，1 280*1 024@30 Hz，1 400*1 050@30 Hz，1 600*1 200@30 Hz五種視頻分辨率的組幀是否準(zhǔn)確。

對(duì)于FC-AV協(xié)議處理單元，重點(diǎn)驗(yàn)證視頻數(shù)據(jù)與FC網(wǎng)絡(luò)的映射是否正確，并加強(qiáng)余度模式，F(xiàn)C上下線、錯(cuò)誤幀接收等的驗(yàn)證。

此階段是整個(gè)SoC設(shè)計(jì)驗(yàn)證中最基本單元的驗(yàn)證，各個(gè)IP/功能模塊的基本功能的正確性得到充分的仿真驗(yàn)證。

4 FC-AV協(xié)議處理SoC軟硬件協(xié)同驗(yàn)證

軟硬件協(xié)同驗(yàn)證的意思是驗(yàn)證正在嵌入式系統(tǒng)硬件上執(zhí)行的嵌入式系統(tǒng)軟件能否得到預(yù)期結(jié)果，即在設(shè)計(jì)投產(chǎn)前對(duì)嵌入式系統(tǒng)軟件能否正確運(yùn)行在硬件設(shè)計(jì)上的驗(yàn)證[11]。協(xié)同驗(yàn)證有兩個(gè)主要作用：使軟件工程師在早期便能訪問(wèn)硬件；為硬件設(shè)計(jì)在投產(chǎn)前提供額外的測(cè)試激勵(lì)，這樣可以加快項(xiàng)目的進(jìn)度。

軟硬件協(xié)同驗(yàn)證的運(yùn)行包括兩種形式：一是虛擬原型驗(yàn)證，二是FPGA原型驗(yàn)證。

4.1 虛擬原型軟硬件協(xié)同驗(yàn)證

FC-AV協(xié)議處理SoC的各個(gè)IP/模塊通過(guò)片上CoreConnect總線集成互連后，芯片的設(shè)計(jì)虛擬原型基本實(shí)現(xiàn)，基于芯片的設(shè)計(jì)虛擬原型，構(gòu)建FC-AV協(xié)議處理SoC的芯片虛擬原型驗(yàn)證平臺(tái)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)驗(yàn)證軟件，軟硬件協(xié)同完成各項(xiàng)驗(yàn)證。

虛擬原型驗(yàn)證平臺(tái)通過(guò)開(kāi)發(fā)相應(yīng)的驗(yàn)證組件來(lái)模擬FC-AV協(xié)議處理SoC實(shí)際工作時(shí)的周邊元件，然后將這些驗(yàn)證組件同F(xiàn)C-AV協(xié)議處理SoC的RTL代碼集成到一起；同時(shí)開(kāi)發(fā)驗(yàn)證程序，將編譯鏈接生成的存儲(chǔ)器映像文件加載到相應(yīng)的存儲(chǔ)器模型中，使PPC460處理器可以從中取指執(zhí)行，從而達(dá)到模擬FC-AV協(xié)議處理SoC內(nèi)部工作過(guò)程來(lái)進(jìn)行各項(xiàng)驗(yàn)證工作，即軟硬件協(xié)同驗(yàn)證的目的[12]。

基于虛擬原型的軟硬件協(xié)同驗(yàn)證需要各接口的功能模型和測(cè)試用例開(kāi)發(fā)的相互配合，當(dāng)未通過(guò)某項(xiàng)驗(yàn)證需要多次迭代進(jìn)行回歸驗(yàn)證。

此階段的驗(yàn)證是基于每個(gè)IP/模塊內(nèi)部的功能經(jīng)過(guò)正確仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，驗(yàn)證的重點(diǎn)在于一些系統(tǒng)級(jí)功能特性，如互連、流控制及模塊間的互操作性等是否正常。

軟件開(kāi)發(fā)人員基于此平臺(tái)開(kāi)發(fā)的驗(yàn)證軟件，包括針對(duì)模塊的功能驗(yàn)證軟件、系統(tǒng)中各模塊之間的互操作的系統(tǒng)級(jí)功能驗(yàn)證軟件及進(jìn)行基于操作系統(tǒng)的驗(yàn)證軟件[12-13]。這些驗(yàn)證軟件可以在虛擬平臺(tái)上運(yùn)行，在FPGA原型驗(yàn)證時(shí)可以輕松移植使用。

4.2 FPGA原型軟硬件協(xié)同驗(yàn)證

FC-AV協(xié)議處理SoC的FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)是根據(jù)FC-AV協(xié)議處理SoC系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境開(kāi)發(fā)FPGA驗(yàn)證板，將FC-AV協(xié)議處理SoC系統(tǒng)集成的邏輯綜合后下載到FPGA芯片中，事先將驗(yàn)證軟件燒入FLASH單元，F(xiàn)PGA驗(yàn)證板上電后PPC460處理器從FLASH中開(kāi)始取指執(zhí)行，達(dá)到與FC-AV協(xié)議處理SoC芯片實(shí)際工作過(guò)程相同的運(yùn)行效果[14]。

在FPGA原型驗(yàn)證平臺(tái)中，需要使用FPGA驗(yàn)證板來(lái)實(shí)現(xiàn)原型驗(yàn)證平臺(tái)，F(xiàn)C-AV協(xié)議處理SoC的邏輯經(jīng)綜合后下載到FPGA芯片中，輸入輸出通過(guò)開(kāi)發(fā)板上的其他外設(shè)器件來(lái)完成。此外，還需要編寫(xiě)B(tài)ootLoader程序、中斷服務(wù)程序和軟件驗(yàn)證程序，通過(guò)編譯器把程序轉(zhuǎn)化成處理器核能執(zhí)行的二進(jìn)制文件。在驗(yàn)證過(guò)程中，使用在線調(diào)試工具連接FC-AV協(xié)議處理SoC中的PPC460處理器，對(duì)PPC460處理器執(zhí)行程序?qū)嵭袑?shí)時(shí)單步控制，方便觀察每一步執(zhí)行的效果和調(diào)試除錯(cuò)；也可以把文件寫(xiě)入Flash中，系統(tǒng)上電復(fù)位后處理器核通過(guò)EMC接口讀取Flash中的程序，然后執(zhí)行這些程序(包括搬運(yùn)程序)以執(zhí)行特定操作。驗(yàn)證中可根據(jù)驗(yàn)證項(xiàng)需要用主機(jī)板卡、其他成熟FC板卡與之進(jìn)行通信，來(lái)檢測(cè)各模塊功能是否正確。

這里的主要方法是通過(guò)與計(jì)算機(jī)、外部商用芯片或者已經(jīng)成熟的板卡進(jìn)行通信，來(lái)檢測(cè)各模塊功能是否正確，在驗(yàn)證過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)的時(shí)序檢查也有一定的意義。該驗(yàn)證通過(guò)實(shí)際電路和外部的真實(shí)環(huán)境和激勵(lì)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)，整個(gè)FPGA內(nèi)的設(shè)計(jì)與真實(shí)芯片的架構(gòu)基本一致，可以在真實(shí)應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行替代驗(yàn)證，而且驗(yàn)證速度快，可同時(shí)對(duì)功能和時(shí)序進(jìn)行驗(yàn)證[15]。

5 FC-AV協(xié)議處理SoC物理設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

FC-AV協(xié)議處理SoC采用0.13 μm工藝實(shí)現(xiàn)，其物理設(shè)計(jì)采用全新Sonic-flow設(shè)計(jì)流程，該流程的特點(diǎn)有：

1)對(duì)物理工具加強(qiáng)集成性。

(1)優(yōu)化工作目錄，集成不同物理設(shè)計(jì)工具的工作環(huán)境；

(2)設(shè)計(jì)控制流程，管理不同工具的運(yùn)行；

(3)直接集成sign off工具，減少流程的反復(fù)。

2)優(yōu)化物理設(shè)計(jì)流程和步驟。

(1)針對(duì)網(wǎng)表的頻繁提交，適當(dāng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，及早提交后仿真文件；

(2)網(wǎng)表確定后的最終版本，在及早給出后仿真文件的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)完整的物理設(shè)計(jì)過(guò)程。

3)針對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)入高深亞微米階段，增加了噪聲約束和優(yōu)化的步驟，并完善了DFM步驟。

4)Sonic flow為完全層次化設(shè)計(jì)流程，擴(kuò)展性好。

5)設(shè)計(jì)流程腳本化，保證設(shè)計(jì)過(guò)程穩(wěn)定性和可追溯。

FC-AV協(xié)議處理SoC集成了大規(guī)模的PPC460內(nèi)核，為最大限度保持PPC460內(nèi)核的獨(dú)立性，減小干擾，且使PPC460內(nèi)核與SoC邏輯的scan，jtag，mbist可測(cè)性設(shè)計(jì)全部獨(dú)立，采用了PPC460內(nèi)核和SoC邏輯各占一邊的方案，PPC460內(nèi)核與SoC邏輯的接口集中于芯片的中間部分。PLL的擺放遠(yuǎn)離數(shù)字邏輯，DDR2邏輯占據(jù)芯片的左右半邊，PPC460和FC/PCIE分別放在芯片上方和下方。

FC-AV協(xié)議處理SoC經(jīng)過(guò)幾輪的后仿真和物理設(shè)計(jì)微調(diào)，其最終設(shè)計(jì)完全滿足時(shí)序、功耗、封裝等要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了FC-AV協(xié)議處理SoC芯片的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證流程及方法和芯片系統(tǒng)架構(gòu)，重點(diǎn)描述了幾個(gè)關(guān)鍵功能單元的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，虛擬原型、FPGA原型的軟硬件協(xié)同驗(yàn)證過(guò)程和物理設(shè)計(jì)。

目前，F(xiàn)C-AV協(xié)議處理SoC已經(jīng)一次性流片成功。對(duì)SoC芯片進(jìn)行了性能測(cè)試和系統(tǒng)驗(yàn)證，結(jié)果表明FC-AV協(xié)議處理SoC完全滿足航電系統(tǒng)對(duì)視頻數(shù)據(jù)在FC網(wǎng)絡(luò)高速傳輸?shù)墓δ芎托阅苄枨?。打破了?guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)了自主創(chuàng)新，具有里程碑意義。

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Design and Implementation of FC-AV Protocol Processing SoC

LIU Cheng-yu1,2，TIAN Ze1,2，WANG Ting1,2，LIU Hao1,2

(1.Aeronautics Computing Technique Research Institute,Xi’an 710068,China； 2.Key Lab of Aeronautics Science and Technology of Integrate Circuit and Micro-system Design, Xi’an 710068,China)

Avionic system currently utilizes many different video formats.Video formats is different in their frame rates,resolution,pixel density,and field/frame mode.In order to meet these requirements,FC-AV defines a standard for video formats mapping to fibre channel.For meeting the high-speed transmission requirement for digital video signal of next-generation avionics system,breaking out the technology blockade abroad,implementation of the self-design of avionics system and the autonomous logistics of core technology,a FC-AV protocol processing SoC must be designed and implemented.Taking SoC design/verification flow and method as the guidance,it introduces the design and hardware/software co-verification for FC-AV protocol process SoC in this paper.The result of tape-out and system level test demonstrate that the FC-AV protocol process SoC can meet the performance and function requirement of avionics system for video data high-speed transmission on FC network.

FC-AV；SoC；design；verification

2015-06-16

2015-09-22

時(shí)間：2016-03-22

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)創(chuàng)新基金(2010BD63111)

劉承禹(1982-)，男，工程師，研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)；田 澤,博士,研究員,中航首席技術(shù)專(zhuān)家，研究方向?yàn)镾oC設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、VLSI設(shè)計(jì)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160322.1517.008.html

TP39

A

1673-629X(2016)04-0105-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.04.023