戚皖青，卜 剛，李姝萱

(南京航空航天大學 電子信息工程學院，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，集成電路的規(guī)模變得龐大和復雜，電子系統(tǒng)設計(Electronic System Level，ESL)流程是目前最先進片上系統(tǒng)設計流程方法。

SystemC和Verilog/SystemC Verilog相互結合的方法學為越來越復雜的片上系統(tǒng)設計提供了一套從系統(tǒng)級(system)到RTL級設計的可行性方案。相比于傳統(tǒng)的設計流程，首先采用高級語言來對系統(tǒng)進行設計，之后再采用硬件描述語言對寄存器傳輸級進行設計。應用以上的方法學，使得片上系統(tǒng)的設計過程變得簡單和高效。

射頻識別技術RFID的原理為閱讀器(reader)與標簽(tager)之間以進行非接觸式的數(shù)據(jù)通信的方式來起到標簽識別目標的作用。

UHF RFID的工作頻率為860 MHz～960 MHz，而UHF RFID空中接口協(xié)議ISO/IEC18000-6C是相關標準化組織制定的最新版本[1]。

UHF RFID技術憑借其識別距離遠、傳輸可靠且安全、數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)勢,在業(yè)界得到廣泛關注[2]。

1 電子系統(tǒng)設計(ESL)方法學

在整個的電子系統(tǒng)設計流程中，首先以電子系統(tǒng)級設計為起點，其中包括的項目分別是選擇體系架構、制定產品規(guī)范以及虛擬軟件執(zhí)行平臺的開發(fā)。電子系統(tǒng)設計流程的益處是硬件和軟件能夠并行開發(fā)，既繼承已有邏輯設計模塊，又為待設計的新邏輯模塊提供詳細的規(guī)格，并提供事物處理級的虛擬模型，為軟件開發(fā)任務提供執(zhí)行平臺原型，而邏輯模塊也可以基于此原型進行驗證[3-5]。在完成電子系統(tǒng)級的設計之后，可以進行RTL的設計和驗證工作，與此同時軟件開發(fā)任務也可以同時進行。在上述設計流程中，可以采用高層次綜合工具CatapultC或者Vivado HLS等產生的硬件模型進行RTL級的設計。在此過程中，CatapultC或者Vivado HLS可以直接將高層次設計綜合成RTL級代碼。

2 SystemC介紹

SystemC是以通過采用系統(tǒng)級設計的思想，在結合了軟件算法和硬件實現(xiàn)的優(yōu)勢之后，對項目工程進行系統(tǒng)級設計，使得系統(tǒng)設計的效率和準確性得到有效提高。SystemC類庫添加進C++之后，對系統(tǒng)級模型開發(fā)的實現(xiàn)提供了充分的代碼設計基礎，同時可以快速實現(xiàn)設計的仿真和驗證[6-7]。

SystemC語言包括端口、信號、模塊和進程等，而這些都是硬件描述語言應該具備的基本條件。同時由于特殊庫函數(shù)對于時鐘信號的描述，SystemC語言簡化了對時鐘信號的定義[8-9]。

3 系統(tǒng)模型以及標簽不同層次的設計

3.1 系統(tǒng)模型

基于已有的設計理念，一個SoC系統(tǒng)的設計可以劃分為硬件設計模塊和軟件設計模塊。本文根據(jù)UHF RFID協(xié)議，針對物理層的數(shù)據(jù)傳遞以及標簽識別層的信息交互，結合ESL軟硬件協(xié)同設計的理念以及SoC的設計方法，設計了整個UHF RFID系統(tǒng)模型[10-11]。

基帶通信鏈路設計模塊則是實現(xiàn)物理層相關功能的實現(xiàn)，鑒于SystemC的自頂向下的設計優(yōu)勢，采用SystemC語言設計實現(xiàn)閱讀器的識別層與標簽的識別層的信息交互，以及閱讀器和標簽的之間的通信鏈路的設計。

3.2 標簽的不同層次的設計

根據(jù)UHF RFID的協(xié)議標準，對于協(xié)議的設計可以分為物理層結構設計和標簽識別層結構設計。在物理層結構的設計過程中，首先實現(xiàn)基帶編碼，生成符合UHF RFID的協(xié)議標準的數(shù)據(jù)包，并且規(guī)定數(shù)據(jù)包格式、數(shù)據(jù)校驗及編解碼方式、射頻調制方法、射頻包絡參數(shù)設定、數(shù)據(jù)傳輸速率等問題；而主要處理閱讀器與標簽信息交互的各種命令，則是在標簽識別層結構的設計中完成，以函數(shù)調用的方式實現(xiàn)命令傳遞，并且通過選擇、盤存和訪問來進行管理標簽群。在協(xié)議標簽識別層結構的設計中主要是處理UHF RFID協(xié)議的命令體系，標簽相應的狀態(tài)轉化[12-13]。協(xié)議中不僅對規(guī)定的命令和規(guī)范做了介紹，還可以保證用戶在預留的空間內，進行自定義相關命令和規(guī)范[14]。閱讀器與標簽之間的對應的基本管理操作如圖1所示。

圖1 閱讀器與標簽之間的基本管理操作

3.2.1 標簽識別層設計

根據(jù)已有的UHF RFID的協(xié)議標準，標簽識別層設計的思路首先是遵循閱讀器的命令，標簽調整到相應的狀態(tài)，同時對閱讀器作出應答。在兩者通信過程中，閱讀器處于主動地位，閱讀器主要實現(xiàn)鏈路時序控制部分。在實現(xiàn)標簽識別層的過程中，可以采用設計狀態(tài)機的方式進行狀態(tài)之間的轉換，具體標簽狀態(tài)之間的轉換圖如圖2所示。

圖2 標簽狀態(tài)轉換圖

按照狀態(tài)圖的轉換過程進行SystemC建模仿真，分別編寫reader.cpp以及tag.cpp文件，在頂層文件里面進行例化和調用，標簽識別層狀態(tài)轉換模型圖如圖3所示，實現(xiàn)標簽的不同的狀態(tài)之間的轉換，標簽識別層狀態(tài)轉換仿真圖如圖4所示。

圖3 標簽識別層狀態(tài)轉換模型圖

圖4 標簽識別層狀態(tài)轉換仿真圖

3.2.2 標簽鏈路層設計

標簽數(shù)字基帶發(fā)送鏈路，主要實現(xiàn)的是標簽發(fā)送信息，閱讀器接收并處理。按照標準協(xié)議，標簽的數(shù)字基帶部分將處理器要發(fā)送的信息編碼為特定的格式傳輸?shù)缴漕l端。同樣在發(fā)送信息的過程中，處理器在數(shù)字基帶模塊的寄存器寫進將要發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)字基帶模塊接收數(shù)據(jù)和使能信號后按照協(xié)議處理數(shù)據(jù)。發(fā)送鏈路需要產生標簽反向散射頻率、數(shù)據(jù)格式轉化、生成CRC校驗碼、FIFO緩存、FM0編碼和Miller編碼、添加同步碼等模型功能。鑒于以上的設計思路，標簽的數(shù)字基帶發(fā)送鏈路模型設計如圖5所示。

圖5 標簽基帶發(fā)送鏈路

閱讀器數(shù)字基帶發(fā)送鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)送到射頻端后，由射頻模塊發(fā)送出去，標簽數(shù)字基帶接收鏈路實現(xiàn)射頻信號接收并處理。接收鏈路需要對接收到數(shù)據(jù)實現(xiàn)檢測、PIE解碼、校驗、格式轉化等操作[15]。

圖6為標簽基帶鏈路ENCODE_T模塊，在Microsoft Visual C++6.0中對數(shù)據(jù)“1001001001011001”進行fm0miller編碼仿真之后，在Modelsim中查看的仿真波形圖。

圖6 標簽基帶鏈路ENCODE_T模塊波形仿真圖

4 高層次Vivado HLS綜合

Vivado工具為Xilinx公司推出的一款設計套件，主要任務是針對于FPGA開發(fā)板的集成化一體式設計。Vivado工具包含了所有產品系列的開發(fā)環(huán)境，例如芯片級IP核、交叉編譯工具等，開發(fā)人員的工作量得到極大的減少，項目開發(fā)效率也得到提升[16]。

Vivado HLS是一款高層次綜合工具，可以將C、C++以及SystemC等高級語言綜合成Verilog HDL(HardDescription Language)或VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)等語言，軟件描述的系統(tǒng)模型綜合成RTL(Register Transfer Level)級的代碼。與此同時也大大降低了開發(fā)人員的開發(fā)設計難度，并且有效地縮短設計周期[17]。

Vivado HLS設計流程如圖7所示，第一步設計具有預期功能的C測試平臺和源代碼。第二步使用C仿真器，例如Microsoft Visual C++6.0來驗證程序實現(xiàn)的函數(shù)是否滿足預期的要求。如果C仿真器仿真出的結果滿足當初的設計要求，Vivado HLS工具可以將C生成的算法轉換為相應的RTL級模塊。具體Vivado HLS綜合流程如圖7所示。

圖7 Vivado HLS綜合流程圖

根據(jù)程序對算法的編譯生成的RTL_Schematic如圖8所示。

圖8 ENCODE_T模塊Vivado HLS仿真圖

5 結論

ESL設計方法學為規(guī)模越來越龐大的集成電路設計提供了有效設計思路和解決方法，具有建模層次高、仿真速度快等優(yōu)點。采用高層次建模，對UHF RFID標準協(xié)議進行從識別層到鏈路層的設計。首先對識別層和鏈路層采用SystemC語言建模，并通過Microsoft Visual C++6.0中對數(shù)據(jù)“1001001001011001”進行fm0miller編碼仿真之后，在Modelsim中查看的仿真波形，如圖5所示，結果滿足編碼設計要求。完成SystemC設計之后將ENCODE_T模塊導入到Vivado HLS中轉換成RTL電路，實現(xiàn)從高層建模、逐步細化的工作要求。