摘 要： 以SoC軟硬件協(xié)同設計方法學及驗證方法學為指導，系統(tǒng)介紹了以ARM9為核心的AFDX-ES SoC設計過程中，軟硬件協(xié)同設計和驗證平臺的構建過程及具體實施。應用實踐表明該平臺具有良好的實用價值。
航空系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)對數(shù)據的安全性、實時性、可靠性及可維修性有極高的要求。在這種環(huán)境下，必須使用最具可靠性與實時性的通信鏈路。航空全雙工交換以太網AFDX（Avionics Full-Duplex Ethernet）的開發(fā)滿足了商業(yè)航空應用的需要。AFDX[1]是一種航空電子子系統(tǒng)間進行數(shù)據交換的網絡標準，它是在IEEE802.3以太網技術的基礎上增加一些特殊機制，提供一個具有確定性和可靠性的網絡。冗余鏈路的設置，保證了數(shù)據報文傳輸?shù)目煽啃?。幀管理機制負責在數(shù)據報文發(fā)送給應用程序之前檢查幀的完整性和管理冗余。
AFDX-ES（End System）是指AFDX的終端系統(tǒng)，主要功能是提供服務，確保提供給應用方的數(shù)據具有安全性和可靠性。每一個終端系統(tǒng)與交換機之間不僅有一條直接的雙向連接，同時還與另一臺交換機之間保持第二條雙向連接，確保終端系統(tǒng)具有冗余性。
AFDX-ES SoC是從航電系統(tǒng)總線應用需求出發(fā)，規(guī)劃出以高性能ARM922T處理器為核心、可實現(xiàn)AFDX協(xié)議主要功能的高速互聯(lián)網終端系統(tǒng)芯片。
典型的SoC驗證平臺通常采用3種體系結構：黑匣子結構、通用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA板和開放式結構。開放式結構因其在系統(tǒng)資源使用和擴展上的靈活性，已成為SoC驗證平臺的主流，典型的平臺有加州伯克利大學的BEE、Hardi公司的HAPS和ApTIx公司的MP4CF。BEE和HAPS采用大規(guī)模FPGA陣列，MP4CF則采用現(xiàn)場可編程互聯(lián)元件（FPIC）技術。在國內一些大學也開發(fā)了規(guī)模相對較小的FPGA陣列驗證平臺。
SoC驗證所花費的工作量平均占總設計工作量的80%以上,驗證已逐漸成為大規(guī)模集成電路設計的主要瓶頸。隨著我國航電系統(tǒng)大規(guī)模芯片設計的快速發(fā)展，SoC的規(guī)模越來越大，設計與驗證流程越來越冗長，如何縮短驗證時間、提高驗證效率和質量、縮短芯片面市時間, 已是SoC設計領域中最受關注的問題。為了加速SoC的驗證，縮短開發(fā)周期，有效解決AFDX-ES SoC設計邏輯驗證的瓶頸限制，本文提出了用于驗證AFDX-ES SoC芯片邏輯功能的FPGA驗證平臺，采用軟硬件協(xié)同驗證方式，以確保在流片之前對設計進行充分、有效的驗證。
1 AFDX-ES芯片架構
AFDX-ES SoC芯片的片上總線采用ARM公司的AMBA(Advanced MicroCONtroller Bus Architecture)總線，包括高速總線(AHB)和外設總線(APB)等。AHB總線提供高帶寬、低延遲的連接，APB總線為連接具有不同總線寬度和時序要求的外設提供一條途徑，避免低性能設備對高性能設備的影響。ARM922T處理器、ES-CCU（終端系統(tǒng)中央控制單元）控制器、PCI總線控制器、SRAM、中斷控制器、SDRAM控制器、Flash接口、DMA和測試接口控制器（TIC）掛接在AHB總線上，TIMER、RTC、WDT、串口控制器及通用輸入輸出接口等掛接在APB總線上，AHB/APB橋接器可以提供兩種總線之間的訪問控制。
目前基于0.18 ?滋m的復雜芯片一次投片成功率只有35%左右，造成芯片重復投片的主要原因是驗證不夠充分。SoC設計的驗證需要投入的資源已占整個設計資源的60%~80%，如何在流片之前對設計進行充分的驗證，已成為整個SoC設計流程的關鍵。
對于功能復雜、具有高集成度的SoC，要在流片前充分驗證，確保流片功能的正確性，構建AFDX-ES SoC設計與驗證平臺是確保一次流片成功的前提。
2 AFDX-ES SoC設計與驗證流程
AFDX-ES SoC設計與驗證采用層次化驗證的方法，軟硬件協(xié)同設計與層次化驗證由以下4個階段組成：
(1)IP/模塊級仿真驗證；
(2)基于芯片虛擬原型的軟硬件協(xié)同驗證；
(3)基于芯片F(xiàn)PGA原型的軟硬件協(xié)同驗證；
(4)物理設計后的版圖后仿真。
本文重點描述基于芯片F(xiàn)PGA原型的軟硬件協(xié)同驗證。
3 基于芯片F(xiàn)PGA原型的軟硬件協(xié)同仿真驗證
基于虛擬原型的驗證平臺可以大量驗證設計電路的功能，但是存在驗證時間長、速度相對較慢的缺點[5]。因此，一些驗證時間比較長的驗證項，如大量幀收發(fā)的驗證、協(xié)議驗證、操作系統(tǒng)驗證等適合在基于芯片的FPGA原型中驗證?？梢猿浞职l(fā)揮此平臺的驗證特點，盡可能模擬系統(tǒng)的真實應用環(huán)境，對于在虛擬原型平臺上不便于驗證和難以驗證的驗證項進行快速驗證。此階段的驗證可以認為完全等同于芯片的邏輯功能的全面驗證?；谛酒現(xiàn)PGA原型的軟硬件協(xié)同驗證的充分驗證，一方面可以發(fā)現(xiàn)設計中存在的各種問題；另一方面盡可能地將芯片的FPGA原型置身于應用環(huán)境下，*價芯片能不能用、好不好用。
3.1 芯片F(xiàn)PGA原型的軟硬件協(xié)同驗證平臺的構建
在芯片的FPGA原型構建過程中采用基于ARM922T-
Core Module+驗證母板的模式。ARM922T Core Module板卡實現(xiàn)ARM922T處理器的功能，并且提供一組標準的接口；驗證母板實現(xiàn)AFDX-ES中除了處理器之外的其他功能模塊的功能及其他測試手段。
驗證母板上包含了AFDX-ES邏輯單元及外圍的輔助測試資源，驗證母板的結構如圖1所示。
3.2 基于芯片F(xiàn)PGA原型平臺的驗證程序的開發(fā)
此階段的程序開發(fā)主要有4個方面。
(1)對于虛擬原型中使用的基本資源、基本功能及部分系統(tǒng)級功能驗證程序，需要移植到FPGA驗證平臺。由于FPGA驗證平臺與虛擬原型的驗證平臺有一定的差異，包括地址空間分配等，需要把原來在虛擬原型平臺上的程序做相應的移植。本部分軟件支持3.3節(jié)完成芯片的基本資源、基本功能和系統(tǒng)級功能的驗證工作。
(2)開發(fā)典型的AFDX協(xié)議驗證程序。在虛擬原型驗證平臺上受驗證速度等因素的限制，一些系統(tǒng)級的驗證和協(xié)議驗證必須在FPGA驗證平臺上實現(xiàn)。本階段開發(fā)的軟件完成3.4節(jié)AFDX協(xié)議的軟硬件協(xié)同驗證；
(3)嵌入式操作系統(tǒng)的移植與應用驗證程序的開發(fā)。本階段開發(fā)的軟件完成3.5節(jié)基于芯片F(xiàn)PGA原型的嵌入式操作系統(tǒng)協(xié)同驗證。
(4)開發(fā)典型應用驗證程序，本階段開發(fā)的軟件可完成3.6節(jié)的典型應用驗證。
3.3 基于芯片F(xiàn)PGA原型平臺基本功能驗證
基于FPGA原型的驗證要對虛擬原型驗證平臺的所有驗證項進行驗證，保證虛擬平臺的所有驗證內容在真實環(huán)境中也是正確的[6]。首先要進行的是資源和功能的驗證。在此階段主要還是使用虛擬原型階段開發(fā)的驗證程序對于資源和功能進行驗證。但是需要注意的是，由于受ARM922TCore Module的限制，虛擬原型和FPGA原型的地址空間分配等有所不同，需要根據具體情況進行相應的修改。
在此階段，對每一個設計模塊都必須進行詳細的測試驗證，尤其是驗證在真實的硬件環(huán)境中各個模塊的特性和功能是否滿足要求。針對核心模塊ES-CCU還需要進行大量幀收發(fā)的驗證，確保在大數(shù)據量傳輸時該功能模塊無缺陷。
3.4 基于芯片F(xiàn)PGA原型AFDX協(xié)議的軟硬件協(xié)同驗證
芯片實現(xiàn)了AFDX協(xié)議功能，在實際應用中必須開發(fā)相應的協(xié)議軟件以滿足系統(tǒng)要求，在設計階段需要開發(fā)協(xié)議軟件進行軟硬件協(xié)同驗證。主要包括驅動層軟件和協(xié)議層軟件。
驅動軟件實現(xiàn)設備管理并提供用戶或操作系統(tǒng)訪問網絡通道硬件設備的接口，設備驅動程序采用結構化的設計思想。遵循Linux、Windows等系統(tǒng)的程序設計規(guī)范，提供一個通用的與設備無關的程序結構，方便系統(tǒng)移植和維護。按照通用設備結構，為上層用戶提供一組通用的設備管理和通信函數(shù)。驅動層軟件主要包括初始化軟件和接口函數(shù)。初始化軟件包括上電初始化、通信協(xié)議初始化、DMA初始化配置、PCI初始化配置、協(xié)議初始化配置和中斷初始化等初始化過程。
協(xié)議層軟件主要實現(xiàn)針對協(xié)議層要求對數(shù)據進行分片、打包等轉換，并對從MAC端口接收的數(shù)據進行完整性檢查和余度管理，完成數(shù)據與包頭的分離、校驗和計算、UDP協(xié)議類型提取等操作，為片上處理器進行協(xié)議棧處理提供必要信息。
3.5 基于芯片F(xiàn)PGA原型的嵌入式操作系統(tǒng)協(xié)同驗證
芯片F(xiàn)PGA原型的驗證能夠最直接和全面地驗證設計的正確性和完備性，是虛擬原型驗證通過之后最接近真實硬件設計的驗證。雖然完成了模塊級、系統(tǒng)級的驗證程序對片上各個模塊之間的互動操作進行模塊級、系統(tǒng)級功能驗證，但這種方法仍然很難保證驗證的充分性。
在此情況下，往往采用基于嵌入式操作系統(tǒng)的系統(tǒng)級軟件，從資源管理者的角度進行功能的充分驗證。
嵌入式操作系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)的靈魂，對整個系統(tǒng)進行硬件資源管理、多任務協(xié)調調度、任務間同步和通信、存儲管理、設備管理等。在SoC驗證中，通過運行嵌入式操作系統(tǒng)及基于操作系統(tǒng)的應用程序，模擬真實的軟件應用環(huán)境；通過驗證平臺的搭建，能夠移植操作系統(tǒng)和各種實際應用軟件，更加真實地模擬應用環(huán)境，操作系統(tǒng)的移植和運行能夠更高效地覆蓋硬件設計IP及互聯(lián)的驗證項，實現(xiàn)較高的驗證覆蓋率?？梢栽谛酒脑O計階段發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)是否能夠對硬件資源進行管理、能否有效地進行任務管理等問題，能否對設計中各模塊功能以及系統(tǒng)功能進行更為有效的驗證，盡早地發(fā)現(xiàn)SoC硬件設計中的缺陷，確保設計的正確性和可靠性，為芯片的充分驗證提供了有效手段。同時，為流片后的芯片測試及應用工作提供了一個良好的測試平臺和應用軟件的開發(fā)平臺，加速SoC應用開發(fā)的進度，加速芯片推廣和盡快上市。
日益復雜的應用需求，加快了嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展。目前國內外已有幾十種商業(yè)化操作系統(tǒng)可供選擇，如VxWorks、WinCE等。在同一硬件平臺上可以運行不同的嵌入式操作系統(tǒng)，但必須根據自己的硬件平臺和應用場合將某種操作系統(tǒng)進行定制和代碼修改，使其能夠運行在該硬件平臺上，這個過程就是操作系統(tǒng)的移植。在明確驗證了芯片的基本硬件資源以后，移植盡可能多的嵌入式操作系統(tǒng)至SoC上，確保驗證的充分性。在AFDX-ES設計中，在FPGA原型驗證環(huán)境下移植了VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)，并編寫大量上層應用程序來對SoC硬件設計進行了詳盡的驗證。
VxWorks是美國風河公司設計開發(fā)的一套具有微內核(最小為8 KB)、可裁剪的高性能實時操作系統(tǒng)(RTOS)，支持廣泛的網絡協(xié)議。其在軍事、航天、通信、工業(yè)控制等諸多方面應用廣泛，并已成為嵌入式領域使用最多的操作系統(tǒng)之一?；贔PGA平臺的VxWorks系統(tǒng)移植驗證，需要建立開發(fā)環(huán)境，在PC機上安裝VxWorks集成開發(fā)環(huán)境Tornado2.2 for ARM，采用宿主機目標機交叉開發(fā)，以網口作為內核下載通道。編寫一個可靠的BSP軟件包，是進行VxWorks操作系統(tǒng)移植工作的重要部分，直接決定了操作系統(tǒng)移植能否成功。設計中根據具體的硬件點，首先配置一個能生成最小內核的BSP包，包括中斷處理程序、定時器驅動，同時為了方便調試，還加入網口驅動，以便啟動WDB調試工具[10]。在成功運行最小內核以后，以此BSP包為基礎添加基于AFDX-ES芯片上其他模塊的驅動程序，以達到對系統(tǒng)的充分驗證。
通過運行VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)，對片上資源進行管理以及各功能模塊進行功能調用，驗證了AFDX-ES芯片各IP模塊的工作情況及各IP模塊在系統(tǒng)中相互配合工作的情況，盡早地發(fā)現(xiàn)了SoC硬件設計中的缺陷，確保了設計的正確性和可靠性。由此，在SoC上移植嵌入式操作系統(tǒng)可謂SoC的設計中一個優(yōu)秀的測試向量集。
3.6 基于芯片F(xiàn)PGA原型的典型應用驗證
為了進一步驗證設計的SoC是否滿足系統(tǒng)的應用需求，利用搭建的芯片F(xiàn)PGA原型構建了一個典型的系統(tǒng)應用環(huán)境，對于AFDX-ES進行了典型系統(tǒng)應用驗證。在此系統(tǒng)中使用了一臺AFDX交換機。此階段的驗證一方面通過驗證證明所設計的SoC可以與交換機進行通信；另一方面此階段所開發(fā)的驗證原型系統(tǒng)也是所設計SoC的一個系統(tǒng)解決方案。
圖2所示的應用驗證是一個典型的應用驗證環(huán)境。在此基礎上，使用了一臺AFDX交換機、2塊AFDX-ES驗證板和1臺PC機。PC機與AFDX交換機連接，可作為服務器使用，2塊AFDX-ES驗證板都連接到交換機，驗證系統(tǒng)1可以通過交換機與系統(tǒng)2通信，同時，也可以通過駐留在PC機上的監(jiān)控軟件檢測數(shù)據交換狀態(tài)。通過上述驗證表明所設計的AFDX-ES可以與交換機互相通信，滿足系統(tǒng)應用需求。
為了適應我國航電系統(tǒng)大規(guī)模芯片設計的快速發(fā)展，解決驗證規(guī)模的瓶頸限制，本文提出了以ARM9為核心的AFDX-ES SoC軟硬件協(xié)同驗證方法、流程和平臺。整個驗證過程基于FPGA原型，對設計的基本功能進行了充分驗證，完成了協(xié)議所要求的最基本的數(shù)據處理機制的驗證，驗證軟件可以很好地應用在流片后的系統(tǒng)應用中，同時利用原型平臺構建了與交換機通信的典型應用環(huán)境，并在此環(huán)境中開發(fā)了相應的程序，實現(xiàn)了交換機的通信驗證。此階段開發(fā)的應用程序和原型系統(tǒng)可以應用在流片后的系統(tǒng)中。
本文介紹的軟硬件協(xié)同設計驗證方法、流程、平臺能在流片之前對設計進行充分、有效的驗證，在項目的實踐中取得了良好的效果，對于類似的SoC協(xié)同驗證有很好的參考價值。
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