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        FPGA的驗(yàn)證平臺(tái)及有效的SoC驗(yàn)證方法

        2016-06-01 00:48:50張躍玲張磊汪健王鎮(zhèn)

        張躍玲,張磊,汪健,王鎮(zhèn)

        (1.北方通用電子集團(tuán)有限公司 微電子部,蘇州 215163;2.63963部隊(duì))

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        張躍玲1,張磊2,汪健1,王鎮(zhèn)1

        (1.北方通用電子集團(tuán)有限公司 微電子部,蘇州 215163;2.63963部隊(duì))

        摘要:設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的驗(yàn)證平臺(tái)及有效的SoC驗(yàn)證方法,介紹了此FPGA驗(yàn)證軟硬件平臺(tái)及軟硬件協(xié)同驗(yàn)證架構(gòu),討論和分析了利用FPGA軟硬件協(xié)同系統(tǒng)驗(yàn)證SoC系統(tǒng)的過(guò)程和方法。利用此軟硬件協(xié)同驗(yàn)證技術(shù)方法,驗(yàn)證了SoC系統(tǒng)、DSP指令、硬件IP等。實(shí)驗(yàn)證明,此FPGA驗(yàn)證平臺(tái)能夠驗(yàn)證SoC設(shè)計(jì),提高了設(shè)計(jì)效率。

        關(guān)鍵詞:DSP;SoC系統(tǒng);FPGA平臺(tái);驗(yàn)證技術(shù)

        引言

        隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展以及EDA 設(shè)計(jì)水平的迅速提高, 基于IP(Intellectual Property) 進(jìn)行SoC(System on Chip)芯片設(shè)計(jì)的能力和技術(shù)得到了大大的提高。在一些應(yīng)用中,需要處理的數(shù)據(jù)量不斷增大,并且處理時(shí)間也要縮短,數(shù)據(jù)運(yùn)算更加復(fù)雜,內(nèi)嵌DSP核處理器的SoC技術(shù)能夠縮短處理時(shí)間并能進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的處理,提高可靠性,縮小體積,降低功耗。因此本文研究一種基于DSP的SoC芯片的FPGA驗(yàn)證方法,并將整個(gè)系統(tǒng)包括DSP處理器、片上總線、ASIC、內(nèi)存模塊、I/O 外圍設(shè)備及其他IP模塊集成到一個(gè)芯片中。而在復(fù)雜的內(nèi)嵌DSP核的SoC 芯片的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中, 為了保證SoC芯片設(shè)計(jì)的正確性, 驗(yàn)證工作變得越來(lái)越重要, 也更加復(fù)雜。FPGA驗(yàn)證是復(fù)雜芯片和SoC芯片設(shè)計(jì)驗(yàn)證的一種有效手段,可以彌補(bǔ)軟件模擬仿真的不足,減少驗(yàn)證時(shí)間,檢驗(yàn)SoC的設(shè)計(jì)是否實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)規(guī)范確定的功能,從而提高SoC芯片流片成功率。

        1基于DSP核控制的SoC系統(tǒng)

        本文設(shè)計(jì)的SoC系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)DSP核,主要包括: DSP處理器核、片上AXI總線、PWM、事件捕獲器、看門(mén)狗控制、中斷控制器、復(fù)位管理、存儲(chǔ)模塊、I/O以及其他外設(shè)(UART、CAN、SPI等)模塊。這些模塊與DSP核之間通過(guò)AXI總線連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。AMBA AXI的總線協(xié)議具有高性能、支持高頻傳輸、高速亞微型系統(tǒng)互連的特征,為主從結(jié)構(gòu),一切觸發(fā)都由主設(shè)備發(fā)起。核間通信總線采用SoC系統(tǒng)中應(yīng)用最多的AXI總線結(jié)構(gòu),比較靈活,可滿足對(duì)帶寬需求不同的各種IP。

        基于DSP的SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

        圖1 基于DSP的SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        2SoC系統(tǒng)的FPGA驗(yàn)證平臺(tái)

        FPGA驗(yàn)證平臺(tái)用于SoC芯片驗(yàn)證,可以對(duì)大規(guī)模SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行快速準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)驗(yàn)證,根據(jù)不同SoC規(guī)模容量,采用不同的FPGA硬件資源,硬件平臺(tái)建設(shè)也有所不同。由于FPGA具有靜態(tài)可編程和在線動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性,能夠使硬件功能電路同軟件程序一樣方便修改,使得FPGA驗(yàn)證修改十分方便、實(shí)時(shí)性好,還可以縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)成本。FPGA具有的這些特點(diǎn)使其成為通用的SoC功能驗(yàn)證的器件,為SoC的系統(tǒng)原型驗(yàn)證提供了一個(gè)非常合適的平臺(tái)。目前FPGA已經(jīng)從系統(tǒng)集成、系統(tǒng)存儲(chǔ)、系統(tǒng)時(shí)鐘和系統(tǒng)接口4個(gè)方面滿足了SoC芯片驗(yàn)證的要求,為快速系統(tǒng)原型驗(yàn)證提供了一個(gè)非常合適的平臺(tái)。本文的FPGA驗(yàn)證平臺(tái)采用Xilinx Virtex-6 LX760器件,是建立在Xilinx Virtex6 FPGA板上的軟硬件聯(lián)合驗(yàn)證系統(tǒng),并用ISE13.3進(jìn)行綜合和布局布線。另外,此FPGA硬件驗(yàn)證平臺(tái)包括支持DSP程序下載的JTAG接口。

        2.1FPGA硬件平臺(tái)搭建

        硬件平臺(tái)搭建主要使用了兩個(gè)Xilinx Virtex-6 LX760 FPGA器件,具有15.2M個(gè)邏輯門(mén)。Virtex-6 LX760面向高端應(yīng)用,具有更多的時(shí)鐘和存儲(chǔ)資源,而且能夠支持更快的速度。通過(guò)分析,所選擇FPAG能夠滿足此SoC驗(yàn)證使用,為了實(shí)現(xiàn)通用性,該FPGA硬件驗(yàn)證平臺(tái)采用了子板和母板相結(jié)合的方式。在母板上設(shè)置有通用的FPGA芯片、相應(yīng)的PROM、系統(tǒng)全局時(shí)鐘的選擇和配置模塊、系統(tǒng)復(fù)位邏輯、FPGA芯片下載接口、與子板連接的connector接口等模塊。子板根據(jù)驗(yàn)證需求,配置了JTAG調(diào)試子板,以提供DSP仿真器連接的調(diào)試接口。另外還設(shè)計(jì)配置了驗(yàn)證EMIF訪問(wèn)外部存儲(chǔ)設(shè)備通路的SRAM存儲(chǔ)器子板。為了方便測(cè)試和驗(yàn)證EMIF接口功能,在這兩類(lèi)測(cè)試子板上,都設(shè)有關(guān)鍵信號(hào)的測(cè)試探測(cè)點(diǎn),以方便測(cè)試一些基礎(chǔ)的時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)以及其他探測(cè)信號(hào)。

        2.2FPGA軟件環(huán)境搭建

        在SoC 設(shè)計(jì)中,經(jīng)常會(huì)使用一些硬IP 核(如PLL、SRAM、ADC、USB transceiver 等),而在采用FPGA驗(yàn)證技術(shù)驗(yàn)證ASIC及SoC設(shè)計(jì)的過(guò)程中,需要做ASIC設(shè)計(jì)原碼的轉(zhuǎn)換,所以首先需要對(duì)SoC進(jìn)行修改,以適合FPGA的開(kāi)發(fā)環(huán)境。如門(mén)控的處理,添加PLL對(duì)所需要的時(shí)鐘進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆?倍頻,存儲(chǔ)單元RAM、FIFO的替換,修改子模塊配置,特殊單元的處理等。還要根據(jù)特定的硬件平臺(tái)增加FPGA 相關(guān)時(shí)序Timing的約束和I/O引腳的指定約束,并搭建一個(gè)能夠自動(dòng)仿真和驗(yàn)證的環(huán)境。在FPGA驗(yàn)證過(guò)程中主要使用ISE13.3內(nèi)置綜合工具或?qū)S镁C合工具對(duì)RTL進(jìn)行編譯、綜合,生成網(wǎng)表。生成的網(wǎng)表可以生成bit文件,包括優(yōu)化、適配、bit文件生成等。進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析,檢查是否滿足預(yù)定的時(shí)鐘頻率要求,若不能滿足,則重新進(jìn)行綜合編譯優(yōu)化。如果多次進(jìn)行優(yōu)化仍不能滿足時(shí)序要求,則根據(jù)違反時(shí)序信息查找關(guān)鍵路徑,對(duì)RTL設(shè)計(jì)代碼進(jìn)行修改優(yōu)化。

        FPGA驗(yàn)證軟件除了需要上述提到的綜合布局布線的軟件環(huán)境ISE13.3外,還需要FPGA內(nèi)部信號(hào)在線調(diào)試工具Chipscope,即時(shí)抓取一些內(nèi)部邏輯信號(hào),分析內(nèi)部邏輯正確與否。在驗(yàn)證調(diào)試階段,還需要DSP核下載調(diào)試軟件CCS3.3,以編寫(xiě)控制處理器核DSP運(yùn)行軟件的測(cè)試程序。

        2.3軟硬件協(xié)同驗(yàn)證系統(tǒng)

        FPGA驗(yàn)證SoC系統(tǒng)方法是軟硬件協(xié)同仿真和驗(yàn)證,并搭建軟硬件協(xié)同驗(yàn)證平臺(tái)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)條件是能夠滿足工作要求的FPGA硬件平臺(tái),以及有力的設(shè)計(jì)描述及編譯工具等軟件環(huán)境。而基于DSP控制的SoC驗(yàn)證系統(tǒng)還需要DSP軟件程序開(kāi)發(fā)環(huán)境及下載通路等。

        2.3.1FPGA軟硬件協(xié)同驗(yàn)證架構(gòu)

        FPGA驗(yàn)證是為了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證SoC芯片在實(shí)際硬件環(huán)境下的功能和運(yùn)行工作情況。針對(duì)本文提出的基于DSP的SoC系統(tǒng),搭建能夠?qū)崿F(xiàn)和驗(yàn)證其DSP程序指令及內(nèi)部電路工作的軟硬件協(xié)同驗(yàn)證系統(tǒng)平臺(tái)。建立的FPGA軟硬件協(xié)同驗(yàn)證系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示。

        其中包括FPGA原型驗(yàn)證需要的Xilinx Virtex-6芯片的FPGA驗(yàn)證母板、支持下載bit文件及驗(yàn)證調(diào)試過(guò)程中需要的Xilinx FPGA編程器及下載線、能夠支持正確下載DSP激勵(lì)測(cè)試程序的DSP-JTAG調(diào)試子板、支持DSP芯片的仿真器、安裝有TI CCS軟件和 ISE13.3,以軟件及支持DSP芯片驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)。

        圖2 FPGA軟硬件協(xié)同驗(yàn)證系統(tǒng)的基本架構(gòu)

        2.3.2驗(yàn)證過(guò)程

        軟硬件協(xié)同驗(yàn)證過(guò)程分以下幾個(gè)步驟:

        ① 首先把要驗(yàn)證的SoC系統(tǒng)由ISE13.3自動(dòng)綜合及布局布線實(shí)現(xiàn)后生成相應(yīng)的FPGA位流文件,經(jīng)JTAG下載至構(gòu)建的FPGA驗(yàn)證系統(tǒng)中的FPGA芯片或?qū)?yīng)的PROM中。

        ② 通過(guò)微機(jī)CCS開(kāi)發(fā)界面編寫(xiě)控制內(nèi)部DSP核運(yùn)行的程序,完成程序啟動(dòng)初始化、測(cè)試激勵(lì)程序編譯、開(kāi)發(fā)驗(yàn)證IP及系統(tǒng)需要的程序。

        ③ 通過(guò)DSP仿真器以實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行軟硬件協(xié)同驗(yàn)證過(guò)程中的管理控制,通過(guò)編寫(xiě)及測(cè)試程序的加載、運(yùn)行、調(diào)試,實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP核單步操作、連續(xù)運(yùn)行等;通過(guò)設(shè)置正確中斷服務(wù)程序、設(shè)置斷點(diǎn)、觀測(cè)DSP核內(nèi)部寄存器及SoC配置寄存器值等分析DSP核運(yùn)行及操作IP情況。

        ④ 通過(guò)不同的控制程序驅(qū)動(dòng)運(yùn)行相應(yīng)功能IP模塊及整個(gè)系統(tǒng)工作運(yùn)行,驗(yàn)證IP功能及不同IP之間的交互和總線競(jìng)爭(zhēng)。

        在驗(yàn)證過(guò)程中可以根據(jù)IP功能及SoC系統(tǒng)特性使用示波器觀測(cè)引腳信號(hào),利用Chipscope軟件抓取內(nèi)部信號(hào)來(lái)判斷邏輯關(guān)系及系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性,驗(yàn)證DSP核、SoC系統(tǒng)及相應(yīng)IP功能;驗(yàn)證系統(tǒng)各模塊間的相互操作、片上系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)相互流通功能;驗(yàn)證所有IP集合協(xié)同運(yùn)行情況;驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的正確性。具體驗(yàn)證流程圖可參見(jiàn)圖3。

        3SoC系統(tǒng)及IP模塊功能驗(yàn)證

        對(duì)SoC系統(tǒng)及內(nèi)部IP功能模塊進(jìn)行驗(yàn)證,需要首先驗(yàn)證FPGA軟件平臺(tái)及硬件平臺(tái)的正確性,才能在CCS環(huán)境下編寫(xiě)控制DSP的程序以驗(yàn)證SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各個(gè)功能模塊的正確性。CCS編程器與FPGA硬件平臺(tái)連接正確后,可通過(guò)下載編寫(xiě)控制DSP內(nèi)核的程序,驗(yàn)證DSP運(yùn)行正確性,并通過(guò)編寫(xiě)控制其他IP邏輯模塊驗(yàn)證SoC系統(tǒng)內(nèi)部交互及IP邏輯設(shè)計(jì)。其中主要進(jìn)行了下面幾種功能模塊劃分及其驗(yàn)證,通過(guò)驗(yàn)證功能模塊也進(jìn)一步驗(yàn)證了SoC系統(tǒng)及片上總線等設(shè)計(jì)的正確性。

        3.1DSP核的驗(yàn)證

        通過(guò)CCS開(kāi)發(fā)界面對(duì)DSP內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作并觀測(cè)DSP內(nèi)部寄存器的變化以實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證DSP的功能,分別對(duì)DSP內(nèi)部的Timer、GPIO、中斷寄存器等進(jìn)行讀寫(xiě)及功能驗(yàn)證,并通過(guò)DSP控制其他各類(lèi)寄存器以驗(yàn)證DSP核的正確性。

        3.2EMIF及片上儲(chǔ)存設(shè)備的驗(yàn)證

        利用DSP能夠正確讀寫(xiě)片上存儲(chǔ)器設(shè)備及支持各類(lèi)讀寫(xiě)操作,對(duì)片上存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。為了驗(yàn)證EMIF接口,在FPGA工程里對(duì)EMIF I/O口進(jìn)行綁定約束使其與SRAM存儲(chǔ)器子板進(jìn)行正確的連接,通過(guò)DSP對(duì)EMIF空間寄存器的控制,使DSP能夠正確地對(duì)連接在EMIF外的SRAM進(jìn)行各類(lèi)型的讀寫(xiě)操作,可驗(yàn)證EMIF接口設(shè)計(jì)。

        圖3 基于DSP的SoC系統(tǒng)的FPGA驗(yàn)證流程圖

        本SoC系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的EMFI接口模塊可以連接4個(gè)外部存儲(chǔ)空間CE0~CE3。通過(guò)ISE工具使用Xilinx Virtex-6芯片的FPGA IP core例化4個(gè)寬度為32位、深度為64位的SRAM,并且將它們連接到CE0~CE3空間接口上。在CCS中,初始化CE0~CE3空間接口,對(duì)各空間前16個(gè)地址寫(xiě)數(shù)據(jù),之后對(duì)這些地址進(jìn)行讀操作。執(zhí)行單步調(diào)試命令,可以成功讀取CE0~CE3空間地址里面寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。DSP核指令代碼,首先配置全局控制寄存器,選擇DSP提供的系統(tǒng)時(shí)鐘,指令代碼寫(xiě)全局控制寄存器:

        *(int*)0x4000a000 = 0x00000000

        配置CE0~CE3時(shí)鐘寄存器和空間寄存器:

        *(int*)0x4000a004=0x00000004;*(int*)0x4000a008=0x00000006;

        *(int*)0x4000a00C=0x00000008;*(int*)0x4000a010=0x0000000a;

        *(int*)0x4000a014=0xffffffe6;*(int*)0x4000a018=0x1091c226;

        *(int*)0x4000a01c=0x30d5c846;*(int*)0x4000a020=0x2251c736;

        對(duì)各空間前16個(gè)地址寫(xiě)數(shù)據(jù),之后對(duì)這些地址進(jìn)行讀操作的DSP核指令代碼:

        for(i=0;i<16;i++){

        *(int*)(0xC0060000+4*i) = (0x00000600+i);

        *(int*)(0xD0060000+4*i) = (0x00000700+i);

        *(int*)(0xE0060000+4*i) = (0x00000800+i);

        *(int*)(0xF0060000+4*i) = (0x00000900+i);

        }

        for(i=0;i<16;i++)

        {

        temp_data = *(int*)(0xC0060000+4*i);

        temp_data = *(int*)(0xD0060000+4*i);

        temp_data = *(int*)(0xE0060000+4*i);

        temp_data = *(int*)(0xF0060000+4*i);

        }

        運(yùn)行DSP核指令代碼,觀察CE0~CE3寄存器的值,能夠成功進(jìn)行讀寫(xiě),驗(yàn)證了EMIF的正確性。

        3.3事件捕獲、看門(mén)狗等功能模塊的驗(yàn)證

        圖4 驗(yàn)證CPI模塊原理框圖

        通過(guò)DSP操作控制看門(mén)狗邏輯模塊寄存器,看門(mén)狗能夠正確運(yùn)行,并能夠正確影響復(fù)位模塊以驗(yàn)證看門(mén)狗IP模塊。通過(guò)DSP正確操作CPI等寄存器,使CPI模塊產(chǎn)生中斷并發(fā)送至DSP,DSP能夠正確響應(yīng)中斷信號(hào)進(jìn)行及時(shí)處理。為了方便驗(yàn)證CPI功能,此SoC驗(yàn)證CPI模塊把PWM產(chǎn)生波輸入到CPI模塊,配置CPI捕獲模式,當(dāng)CPI模塊輸入有變化時(shí),進(jìn)行捕獲產(chǎn)生中斷。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí),CPI_INT為高電平,當(dāng)DSP處理后會(huì)變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)。驗(yàn)證方法原理如圖4所示。

        在Chipscope中正確設(shè)置觸發(fā)條件并通過(guò)FPGA編程器及JTAG傳送到PC主機(jī),可觀察其邏輯波形的正確性。CPI中斷事件圖略——編者注,可以看出,CPI_INT6從高電平到低電平的轉(zhuǎn)換,可說(shuō)明DSP對(duì)CPI中斷事件進(jìn)行了處理,并正確響應(yīng)外部中斷??沈?yàn)證正確設(shè)置CCS配置IP模塊寄存器后,IP硬件模塊能夠正常運(yùn)行。

        3.4PWM、SPI、CAN、UART等外設(shè)模塊

        通過(guò)控制內(nèi)部寄存器,能夠產(chǎn)生正確的PWM波,分別在示波器及Chipscope上對(duì)一些信號(hào)進(jìn)行采集及觀測(cè)分析,驗(yàn)證其正確性,驗(yàn)證方法和驗(yàn)證CPI、EMIF相同。測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明其功能正確。其中結(jié)合示波器測(cè)試PWM波,驗(yàn)證PWM設(shè)計(jì)的正確性,另外還使用相同方法驗(yàn)證SPI、CAN、UART等各IP功能的正確性。

        結(jié)語(yǔ)

        本文以一個(gè)DSP處理器控制的SoC芯片的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證項(xiàng)目為例,介紹了關(guān)于FPGA的軟硬件協(xié)同驗(yàn)證方法及過(guò)程,搭建FPGA驗(yàn)證硬件平臺(tái)及軟件平臺(tái)環(huán)境, 并通過(guò)軟硬件協(xié)同驗(yàn)證, 在線驗(yàn)證調(diào)試SoC系統(tǒng)中邏輯及功能設(shè)計(jì), 并對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行了驗(yàn)證分析。通過(guò)CCS輸入控制DSP程序進(jìn)而控制SoC系統(tǒng)及內(nèi)部IP模塊,具有可觀測(cè)性及實(shí)時(shí)性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)FPGA軟硬件協(xié)同驗(yàn)證系統(tǒng)可以對(duì)目標(biāo)SoC芯片進(jìn)行功能驗(yàn)證及性能評(píng)估,縮短了基于SoC芯片的應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間,提高了流片成功率,整個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)及方法具有較高的可靠性。

        編者注:本文為期刊縮略版,全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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        張躍玲(設(shè)計(jì)師),主要從事數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)。

        (責(zé)任編輯:薛士然收修改稿日期:2015-10-09)

        Zhang Yueling1,Zhang Lei2,Wang Jian1,Wang Zhen1

        (1.R&D Center in Suzhou,Northern General Electronics Group Co., Ltd.,Suzhou 215163,China;2.63963 Troops)

        Abstract:A FPGA verification platform is designed and an effective verification way of SoC is introduced.The basic scheme of the FPGA verification system is shown,and the software and hardware verification platform is introduced.The verification process and method are discussed.Due to the software and hardware co-verification technique,it can verify the SoC system design,the DSP statement,the hardware IP and etc.The experiment results show that the verification platform can verify the SoC design and improve the design efficiency.

        Key words:DSP;SoC system;FPGA platform;verification technique

        中圖分類(lèi)號(hào):TN492

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

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