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1、洳：暗硕士学位论文摘要近十年中，芯片特征尺寸持续减小，片上晶体管数目飞涨，半导体T 艺技术得到高速发展。芯片的效率和处理能力不断增强。为了满足日盏增长的设计需求，传统的A S I C 设计越来越多的转向口复用和系统规模集成的S o C 设计。由于：薛片尺寸的增大，线宽的减小和晶体管数目的增加，物理设计面l J 缶了更多的设计挑战。与此同时，多媒体应用有了更加广泛的市场需求，面向音视频的媒体S o C 设计成为I c 设计的热点。本文介绍由浙江大学信息与电子工程学系S o CR&D 小组开发的具有自主知识产权的多媒体系统集成芯片_ M e d i a S o c的物理实现新理念以及相应核心l P
2、 的开发设计。M e d i a S o C 包含了两个可编程的处理器内核：R I S C 结构的处理器核R I S C 3 2 0 0 和R I S C D S P 结构的处理器核M e d i a D S P 3 2 0 0。基于多媒体的应用，M e d i a S o C 还集成了其他一些A S I C 模块，例如视频编码模块、存储器控制单元、D M A 控制器以及其他系统增强单元。该芯片采用S M l C 0 1 8 u m 的制造工艺并一次流片成功。测试结果表明，M e d i a S o C 能够广泛应用于多媒体应用领域，包括信号处理、实时音视频解码、图像处理领域。多媒体系统芯片结
3、构的复杂以及采用了先进的半导体制造工艺给芯片的物理实现带来诸多困难。本文以多媒体系统芯片M e d i a S o C 为例，作为其部分研究成果，着重讨论了多媒体系统集成芯片中的物理实现、连线和婵开发的问题。具体的内容以及研究工作包括：快速建模的物理设计思想，缩短设计时间，加速芯片成型，提高市场的竞争力。在这个理念下指导的预布局、物理综合、电源规划、时钟树设计等关键步骤，中间穿插M e d i a S o C多核的结构特点，讨论了其有利于综合的结构设计，重点是顶层与核心模块的结构划分。另外由于传统的逻辑综合在现代芯片设计中存在局限性，M e d i a S o C 采用了基于物理综合的综合流程
4、，把逻辑综合与物理综合紧密结合起来，并且在不同的综合阶段采用了不同的综合策略。深亚微米工艺下的互连对时序的影响已经超过了逻辑单元互连线间电容的建模分析以及相应的噪声预防必须在物理实现中得到充分的重视。与传统的布局布线后修复的流程相比较，在布局时控制局部单元密度，降低了耦合发生的概率；而边布线边修复的思路不仅缩短了所需时间，而且因为修复的及时性，避开了芯片末期金属资源被占用难以取得较好修复效果的困境从而优化了时序结果。口设计是系统芯片集成的基础。良好的口需要考虑R T L 代码可重用性和维护、后端实现的效率以及模型的准确性。在这个准则的指导下，我们以T S M C0 1 3 u r nl p 8
5、 m 标准单元工艺，设计并实现了四级超流水高速分裂式M A C 的固核，克服了0 1 3 u m 下常见的电压降违反和严重电迁移现象，并达到4 0 0 M H z 的设计目标。关悯；媒体处理器系统集成芯片快速建模物理综合口设计A b s t r a c tI nt h el a s td e c a d e，f e a t u r es i z ec o n t i n u e sS C a l i n gd o w ns t e a d i l ya n dt h en u m b e ro ft r a n s i s t o r so n as i n g l ec h i ps o a
6、 r s A 1 1o ft h i si n d i c a t e ss e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y Sp r o m i n e n td e v e l o p l n a n t I no r d e rt os a r i s f yd e s i g nd e m a n d s，n e wS o C I Pd e s i g nm e t h o d sa r ea d o p t e db ym o r ea n dm o r ed e s i g n e r sw h i l et h et r a d i t i o n
7、a lA S I C(A p p l i c a t i o nS p e c i f i cI n t e g r a t e dC i r c u i t s)m e t h o d sa r co b s o l e t e B e c a u s eo fb i gs i z eo fc h i pa n dh u g en u m b e ro ft r a n s i s t o r s，p h y s i c a ld e s i g no fc h i p sf a c e sm o r ed i f f i c u l t i e se v e r，m e a n w h i
8、 l e，m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n sh a v eb e e uP o p u l a ra n dm e d i aS o C sa i m e dt ov i d e o a u d i oa p p l i c a t i o n sc a t c ht h ea t t e n t i o no fd e s i g n e r s I nt h i sp a p e r，w ei n t r o d u c ea 瑚e d i aS o C M e d i a S o Cs e r i a l s w h i c ha r e
9、d e v e l o p e db yt h eD e p a r t m e n to fI n f o r m a t i o nS c i e n c ea n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n gi nZ h e j i a n gU n v e r s i t yi n d e p e n d e n t l y M e d i a S o Cc o n s i s t so ft w op r o g r a m m a b l ep r o c e s s o rc o r e s：aR J S CC O r eR I S C 3
10、2 0 0a n daR I S C f D S PC O I eM e d i a D S P 3 2 0 0 F o rt h ea p p l i c a t i o no fm e d i ap r o c e s s i n g，M e d i a S o Ca l s oi n c l u d e ss o n eA S I Cm o d u l e ss u c ha sT Ve n c o d e r，m e m o r yc o n t r o l l e r D M Ac o n t r o l l e r，a n do t h e ri n t e r f a c eu
11、n i t s n ec h i pr e f e r r e db yt h i sp a p e rh a sb e e ns u c c e s s f u lf a b r i c a t e di n0 1 8 1 x mt e c h n o l o g yb yf a s tr i m e，t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tM e d i a S o Cc a nb ew i d e l yu s e di nar a g eo fm u l t i-m e d i aa p p l i c a t i o n,s u c ha ss
12、i g n a lp r o c e s s i n g，r e a l-l i m ea u d i o v i d e op l a y b a c ka n di m a g ep r o c e s s i n g T h ei m p l e m e n t a t i o na n dv e r i f i c a t i o no fm e d i aS o Ca l ed i 伍c u l tb e c a u s eo fi t sc o m p l i e a t e da r c h i t e c t u r ea n da d v a n c e df a b r i
13、 c a t e dt e c h n o l o g y T h i sp a p e rt a k e sM e d i a S o Cf o re x a m p l e；m a i n l yd i s c u s st h ep h y s i c a li m p l e m e n t a t i o nm e t a lc o n n e c t i o n sa n dI P(I n t e l l e c t u a lP r o p e r t y)d e s i g nf o rm e d i aS o C 1 1】em a i nc o n t e n t sa n
14、dw o r k si nt h i sp 婶e ri n c l u d e：F a s tp r o t o t y p i n gm e t h o d o l o g yu s e di nb a c k e n di m p l e m e n t a t i o n si nM e d i a S o C A st r a d i t i o n a lf l o wi nS o Cd e s i g ni se f f i c i e n ti nc o n s u m e dt i m ea n df i n a lr e S U I t s an e wi m p l e m
15、 e n t a t i o nm e t h o ds h o u l db ea d o p t e dt oo v e r c o m et h ei s s u e si n t r o d u c e db yl l i g hc o m p l e x i t y R e f e r r i n gt os i l i c o nv i r t u a lp r o t o t y p i n gm e t h o d o l o g ya n dO a re x p e r i m e n t a t i o n,w ei n t r o d u c eaF l e wf l o
16、 wb a s e dO nn o r m a lt o o l s U s i n gt h i sm e t h o dm i n i m i z ed e s i g nc y c l ea n dr e a c hag o o dr e s u l t W i r ed e l a yi n0 1 8 u r np r o c e s st e c h n o l o g ya n db e l o wp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt o t a ld e l a y l eg a t ei n t r i n s i cd e l
17、a ya n dt h ew i r ed e l a ya n dt h e i rr e l a t i v em o d e l sa r ed e s c r i b e di nt h i sc h a p t e r,a n de s p e c i a l l y,t h ec r o s s t a l ki n t r o d u c e db yc o u p l i n gc a p a c i t a n c e sb e t w e e nw i r e sa r es t r e s s e da n dt h er e p a i rm e t h o di sa
18、 s og i v e n I Pi sb a s i ce l e m e n ti nS o Cd e s i g na si tc o n n e c t sh i g h e ra r c h i t e c t u r ea n dl o w e rg a t eu t i l i z a t i o n Ag o o dI Ps b O U l db er e n s 曲l e，m a i n t a i n a b l ea n dl e 西b l e D o c u m e n t a t i o n sa n dm o d e I ss h o u l db ei n t a
19、 c ta n de l a b o r a t e A sac a s ee x a m p l e，ah i g hp e r f o r m a n c eu s i n g4p i p e l i n eM A C(M u l t i p l y A c c u m u l a t ea c c u m u l a t o r)i sh a r d e n e di n0 1 3 u mp r o c e s st e c h n o l o g y K e y w o r d s：M e d i a-P r o c e s s o r,S y s t e m-o n-c h l p，
20、F a s tp r o t o t y p i n g,p h y s i c a ls y n t h e s i s，I Pd e s i g n浙江大学硕士学位论文第一章绪论消费类电子和多媒体领域应用程序的复杂度和细化度H i 断增长，各种各样的媒体处理技术如雨后春笋般涌现，这就对处理器的性能和功能提出更多要求。以硬件为主的多媒体处理系统具备强大的计算能力，同时提供了灵活的应用方法来支持各方面的多媒体应用。以面向媒体处理的媒体处理器结合了硬件效率高和软件灵活的特点，被广泛应用于音视频领域。同时，深亚微米的半导体工艺已经可以做到在一块芯片上集成几亿个晶体管，一个电子系统或分系统可以完全集
21、成在一块芯片之上，集成电路的设计已经进入系统集成芯片时代。单片系统级芯片在速度、功耗、成本上较多芯片系统有很大的优势。在单块芯片上集成原来分离的媒体处理器芯片，构造多媒体系统芯片，已成为多媒体处理系统的发展趋势。本章首先介绍了多媒体系统集成芯片，包括多媒体处理器的分类、多处理器媒体处理芯片的架构以及系统集成芯片的设计方法。然后介绍了深亚微米设计下的系统集成芯片物理设计。1 1 多媒体系统集成芯片综述多媒体系统集成芯片以多媒体应用为目标，在单个芯片上包含了一个或多个的处理器核、各种存储单元、灵活应用的接口模块、片上总线等等，构成一个集成系统来满足日益增长的多媒体应用领域。1 1 1 多媒体处理器
22、的分类多媒体处理器是多媒体系统集成芯片的核心。多媒体处理器的实现方式多种多样，可以图1 1 多媒体处理器的分类1浙江大学硕士学位论文根据其体系结构对其进行分类 1 ，如图1 1 所示。一类是传统的通用可编程处理器，如各种工作站的处理器和个人电脑的中央处理器。这类处理器义可以分为C I S C 和R I S C 两大类体系结构。前者的代表如I n t e l 的P e n t i u m4 处理器和A M D 的A t h l o n 处理器，而后者则以S u n 的S P A R C 系列处理器和M 的P o w e r P C 系列为典型。C I S C 处理器着眼于采用复杂的指令系统，一条
23、指令完成复杂操作以降低指令条数而提高性能，而R I S C 处理器则着眼于降低每条指令执行t f 舌f 期数C P I 以提高性能，因此采用了简单的指令系统。为了适应多媒体处理的需要，它们大都针对多媒体处理进行了扩展和增强。其中一部分通过扩展指令集。增加专用的媒体处理指令，从而增强了媒体处理能力，如P e a d u m 系列的M M X 2 ，S S E，S S E 2 1 3 指令扩展，A M D 公司的3 D N o w!【4 5 指令扩展，U l l r a S P A R C I 处理器的V I S 6 和P o w e rP C 的A l t i v e c 7 指令扩展。另外一类
24、处理器没有增加媒体处理指令，他们采用了一些其他技术来增强计算能力，例如T r a n s m e t a 公司C u r s o e 系列 8 采用代码变换技术，该技术可以将x 8 6 命令序列直接变换成1 2 8b i tV L I W 命令序列，由此可省略执行x 8 6 命令的复杂电路，以简单的V u w 型构造硬件部分，在一定程度上补偿处理器没有特殊的指令集支持的不足。另一类可编程处理器是专用可编程处理器，如数字信号处理器(D S P)和视频，立频处理器。这类处理器为了专门的目的而设计，如数字滤波器设计，因而针对特殊的应用作了一些专门优化，如D S P 处理器最典型的特性就是对乘累加指令
25、的硬件支持。此外，最新的媒体，视频处理器不仅提供了乘累加指令的支持，同时提供了对复杂图像处理任务如扭曲和透视变换的硬件支持。1 I 公司的T M S 3 2 0 C 系列就是前者的一个例子，而P h i l i p s 的T r i m e d i a T M 3 2和M P I R E 9 是后者的例子。具有代表性的D S P 芯片包括T I 公司T M S 3 2 0 系列、A D 公司A D S P 系列、S t a r C o r e 公司的S C 系列、M 0 1 o R O L A 公司M C 系列等D S P 处理器。其中，T M S 3 2 0 C 6 4 x x 采用v L
26、r w 结构，具有类似R I s C 的3 2 位简单指令，支持单指令多数据(S I M D)操作，包含片上指令C a c h e，时钟频率高等特点，使其成为一代D S P 处理器的典型产品 1 明。与可编程处理器不同，另一大类处理器是专用处理器。这一类处理器采用全硬件实现特定的多媒体处理算法，因此其对特定算法的解决方案可以达到最优，其芯片面积，功耗，处理能力等等方面都比可编程处理器要好。这类处理器典型的例子如各种针对离散余弦变换(D C I)处理的专用处理器 1 1-1 3 ，L S L o g i c 的L 6 4 7 3 5D C T 处理器芯片和三菱的A d v a n c e dT
27、e l e v i s i o n(A T V)解码器。但专用处理器较可编程处理器而言丧失了设计灵活性，只能用于特定的算法，其设计可重用性较差。在多媒体标准日新月异的今天，这类处理器逐渐丧失了应用前途。随着多媒体算法的复杂度和多样性增加，产生了一类新的解决方案，就是可重配置处理器。随着现场可编程门阵列(F P G A)在测试和验证电路中的广泛应用，处理器的资源在运行时重配置的思想开始发展起来。F P G A 包含了可配置逻辑块(C L B)阵列，可以实现各种各样的逻辑功能。这一类处理器介于可编程处理器和专用处理器之间，其性能比可编程处理器强，同时比专用处理器增加了灵活性。这类处理器的例子如M
28、A T R I X、X i l i n x 和A l t e r a 的F P G A。M A T R L X 1 4 含8 位宽的计算元素，存储器，A L U 和控制单元单片处理器。X i l i n x 和A l t e r a2浙江大学硕士学位论文的最新的F P G A 包含了一位计算单元，能够在小于一毫秒的时问内部分的重配置。X i l i n x 的最新F P G A 还包含了最多达4 个的P o w e r P C 核和大量的可重配置片上资源和口核 1 5】。可编程处理器、专用处理器和可重配置处理器三大类媒体处理器中，可编程处理器以其成本低，设计灵活，上市时间(t i m e t
29、o-m a r k e t)短等优势占据了绝大部分的市场。在多媒体系统集成芯片设计中，可编程的处理器内核得到了最一泛的应用。1 1 2 系统集成芯片的设计方法对于系统集成芯片设计，最常采用的是基于平台的设计方法 1 6 1。基于平台的设计方法针对特定的产品应用，以口复用、片上总线为框架；以软硬件协同开发为特征，根据产晶的系统目标来选择功能模块，进行模块互连和系统功能验证。集成平台主要包括硬件开发平台和软件开发平台两个部分：硬件方面包括系统集成蕊片的结构性能指标描述，片上总线结构设计，功耗要求，时钟树和测试功能设计，管脚配置，对功能模块的功率要求以及面积限D e s i g n薯蓄圈1 2 基于
30、平台的正变型系统集成芯片的设计方法制等等。软件方面主要包括实时操作系统R T O S，编译系统，底层驱动软件，中间件软件以及应用软件的分层，任务调度和任务问通信等等。基于平台的设计方法着眼点在设计的系统层，它需要新的软硬件协同设计方法、协同验证技术来支持系统层的算法和结构的分析。文献【1 7】提出了一种新的基于平台的正交型系统集成芯片的设计方法。如图1 2 所示，该设计方法以平台为基础在系统级把设计分成了三个部分：验证、设计和设计支持，其核心部分是设计，验证和设计支持为设计部分服务，设计部分又分为以下几个步骤：功能设计(F u n c t i o n a ld e s i g n)功能设计根据
31、系统的设计要求，采用系统功能描述语言3浙“大学硕士学位论文和工具，确定系统总的功能。功能设计需要经过系统仿真的充分验证，以确定其功能实现的正确性。平台映射(P l a t f o r mm a p p i n g)：把系统的功能映射到平台库中，从而确定基本的系统软件和系统硬件的体系结构。设计支持提供平台库，包含了软件和硬件这两类平台库。通过平台库的映射自动完成软硬件的划分，从而确定系统的软硬件平台。I P 映射(口m a p p i n g)：平台只是确定了系统的基本架构，它不可能包含系统所需要的所有功能，所以需要加入一些相关的l P 模块，从而完成整个系统的架构实现。I P 映射同样需要I
32、P 库的支持，也需要通过性能分析确定I P 的类型。系统整合(S y s t e mc o n n e c t i o n)：系统整台是整个系统设计的核心，它需要把I P 模块、用户自行设计的R T L 模块、软件设计整合到一个系统平台中去，从而完成系统的设计。系统整合过程需要软硬件协同验证，确定其整合过程正确与否。该系统集成芯片设计方法的一个显著特点是正交性，把平台映射和口映射分割开来，另一个显著特点是把设计支持、验证同设计本身分割开来。设计支持是平台的基础，它为平台提供了R T L 代码、口、软件等方面的库资源。验证则保证了设计的每一步功能正确、性能满足设计的要求。基于平台的集成电路设计方
33、法能够大幅度地提高设计的效率，并且降低设计的风险，在系统集成芯片中得到了广泛的应用。1 2 片上系统集成芯片(S o C)设计M e d i a S o C 系列是由浙江大学信息与电子工程学系S o CR&D 小组开发的具有自主知识产权的多媒体系统集成芯片。它可以广泛应用于多媒体应用领域，包括信号处理、实时音视频解码、图像处理领域等等。1 2 1 多媒体系统集成芯片M e d i a S o C 的系统功能框图多媒体系统芯片M e d i a S o C 的系统结构如图1 3 所示。针对多媒体应用，M e d i a S o C 包含了两个可编程的多媒体处理器核：M e d i a D S P
34、 3 2 0 0 和R I S C 3 2 0 0，这两个核均由浙江大学信息与电子工程学系S o C R&D 小组自主研发设计，其中M e d i a D S P 3 2 0 0 负责解码视频数据，而R I S C 3 2 0 0 负责C D 码流解码、音频解码以及系统调度，它们都通过指令集扩展的方式，提供了灵活强大的多媒体编程能力。为了确保双核之间，双核与片上存储器之间、片上存储器与片外存储器之间进行通讯与数据交换，M e d i a S o C 还采用了一种基于多通道D M A 的总线调度策略 1 8 1，该策略有效地解决了多媒体集成芯片中大量的数据调度和总线仲裁两个难点。此外，M e d
35、 i a S o C 还集成了丰富的片上存储资源，D M A 控制器以及音视频播放模块、C D R O M 解码模块等A S I C 部件，共同构成一个完整的多媒体处理系统。处理器核M e d i a D S P 3 2 0 0 是一个3 2 位的可编程R I S C D S P 混合结构的多媒体处理器内核，它将R I S C 与D S P 处理器的指令操作、寻址模式等要素充分融合，包含了分裂式多媒4浙扛大学硕士学位论文和工具，确定系统总的功能。功能设计需要经过系统仿真的充分验证，以确定其功能实现的正确性。平台映射(P l a t f o r mr a a p p i n g：把系统的功能映射
36、到平台库中，从而确定基本的系统软件和系统硬件的体系结构。设计支持提供甲台库，包含了软件和硬件这两类平台库。通过平台库的映射自动完成软硬件的划分，从1 i 确定系统的软硬件平台。I P 映射(r pm a p p i n g)：平台只是确定了系统的基本架构，它不可能包含系统所需要的所有功能，所|三【需要加入一些相关的I P 模块，从而完成整个系统的架构实现。I P 映射同样需要I P 库的支持也焉要通过性能分析确定m 的类型。系统整台(S y s t e mc o n l K：c t i o n)：系统整台是整个系统设计的核心，它需要把I P 模块、用户口行设计的R T L 模块、软件设计整合到
37、个系统平台中去，从而完成系统的设计。系统整合过程需要软硬件西同验证，确定其整合过程正确与否。该系统集成芯片设计方法的一个显著特点是正交性把平台映射和口映射分割开来另个显著特点是把设计支持验证同设计本身分割扦来。设计支持是平台的基础，它为半台提供了R T L 代码、I P、软件等方面的库资源。验证则保证了设计的每一步功能正确、性能满足设计的要求。基_ T 平台的集成电路设计方法能够大幅度地提高设计的效率，并且降低设计的风险，在系统集成芯片中得到了广泛的应用。1 2 片上系统集成芯片(S o t)设计M e d i a S o C 系列是由浙江大学信息与电子工程学系S o CR&D 小组开发的具有
38、自主知识产权的多媒体系统集成芯片。它可以广泛应用于多媒体应用领域，包括信号处理、实时音视频解码、图像处理领域等等。1 2 1 多媒体系统集成芯片M e d i m S o C 的系统功台甚框图多媒体系统芯片M e d i a S o C 的系统结构如图1 3 所示。针对多媒体应用，M e d i a S o C 包含了两个可编程的多媒体处理器核：M e d i a D S P 3 2 0 0 和R I S C 3 2 1 3 0，这两个核均由浙扛大学信息与电子工程学系s o cR&D 小组自主研发设计其中M e d i a D S P 3 2 0 0 负责解码视频数据，而R I S C 3 2
39、 0 0 负责C D 码流解码、音频解码队及系统调度，它们部通过指令集扩展的方式。提供了灵活强人的多媒体编程能力。为了确保双核之间，双核与片上存储器之间、片上存储器与片外存储器之间进行通讯与数据交换，M e d i a S o C 还采用了一种基于多通道D M A 的总线调度策略 1 8 1，该策略有效地解决了多媒体集成芯片中大量的数据调度和总线仲裁两个难点。此外。M e d i a S o C 还集成了丰富的片上存储资源，D M A 控制器咀及占视频播放模块、C 1)R O M 解码模块等A S I C 部件，共同构成一个完整的多媒体处理系统。处理器棱M e d J a D S P 3 2
40、0 0 是一个3 2 位的可编程R I S C D S P 混合结构的多媒体处理器内核，它将R I S C 与D S P 处理器的指令操作、寻址模式等要素充分融台。包含了分裂式多媒核，它将R I S C 与D S P 处理器的指令操作、寻址模式等要素充分融合，包含了分裂式多媒4浙江大学硕士学位论文图1 3 多媒体系统集成芯片M e d i a S o C 的系统结构体计算单元、并且设计了亚字并行操作指令以及针对典型多媒体应用的扩展指令。在系统芯片M e d i a S o C 中，处理器核M e d i a D S P 3 2 0 0 负责视频数据的解码和后处理。处理器核R I S C 3 2
41、 0 0 是一个3 2 位的6 级流水结构的R I S C 处理器，它包含了两类指令集：基本指令集和媒体扩展指令集，基本指令集同M I S PI 的指令集在机器码级兼容，而媒体扩展指令集同I n t e l 媒体指令集扩展的方式类似，以节约处理器时钟周期为目标，对解码指令序列的统计分析，对某些效率不高的指令操作构建新的数据通路，增加新指令来降低有效时钟主频。R I S C 3 2 0 0 针对比特流数据的处理进行了优化，在系统芯片M e d i a S o C 中，它用于音频数据的处理、系统的全局控制，以及不同界面单元之间的数据流管理。此外，两个处理器核配置成主从结构，R I S C 3 2
42、0 0 控制M e d i a D S P 3 2 0 0 的启动和停止。M e d i a S o C 包含了大量的片上存储单元。其中，R I S C 3 2 0 0 配置了1 6 K B 的指令C a c h e，2 4 K B 的数据R A M(R D _ R A】)：M e d i a D S P 3 2 0 0 则配置了8 K B 双端口R A M(M _ IR A M)。用来存放指令，以及2 4 K B 的单端口数据R A M(M _ D _ R A M)。另外，这两个核被配置成主从结构的方式，M e d i a D S P 3 2 0 0 的启动受R I S C 3 2 0 0
43、的控制，所以处理器核R I S C 3 2 0 0 能够访问M e d i a D S P 3 2 0 0 的指令R A M 和数据R A M，并且在每次启动M e d i a D S P 3 2 0 0 之前，首先完成所有数据和指令的搬运。存储控制器包括了D R A M 控制器、S D R A M 控制器、F l a s h 控制器和S R A M 控制器。D R A M 用于存放视频数据，通过配置，D R A M 或者S D R A M 接口可以用来支持不同类型的D R A M S D R A M 器件。F l a s h 控制器用来控制程序数据在F l a s h 中的存放，而芯片测试用
44、的指令和数据存放在S R A M 中这需要S R A M 控制器单元的处理。多媒体系统芯片M e d i a S o C 是一种典型的多任务系统芯片。芯片内部众多的数据请求源都要通过总线访问单一的片外存储器，这些总线请求的合理调度成为系统设计的关键。5浙江大学硕士学位埝文M e d i a S o C 采用了一种基于多通道D M A 的总线调度策略，将片内对片外存储器的访问分为6 个请求源，形成相对独立的6 个数据传输通道，每个数据传输通道都有各自的任务和特点，方便了片内片外存储器的访问。此外，M e d i a S o C 还提供了其他些A s I c 部件，用来协助多媒体系统的处理例如C
45、D R O M 解码模块、音视频播放模块，这些模块同其他部件一起构成了完整的多媒体处理系统。1 2 2 多媒体系统芯片M e d i a S o C 设计简介多媒体系统集成芯片M e d i a S o C 中包含了两个可编程的处理器内核，在构造多媒体处理系统时，一部分由硬件提供处理能力，另一部分由软件提供设计的灵活性，因此，在M e d i a S o C的设计中不可避免的采用了软硬件协同设计的方法。软硬件系统设计流程是需要反复进行划分、分配、调度和映射的过程 1 9 1。多媒体系统集成芯片M e d i a S o C 采用了基于标准单元的设计方法，标准单元法是库单元设计方法中的一种，它的
46、特点是库中各个单元在版图上具有同一高度，但宽度不等【2 0】。除了等高的标准单元外，还可以插入宏单元，比如存储器单元，也可以是经专门定制设计的功能模块，如锁相环等。标准单元的设计方法具有设计周期短、成本低、成功率高以及系统可扩展性好等优点。M e d i a S o C 基于标准单元的实现过程包含了综合和物理实现两大部分，利用E D A 工具，分别采用了物理综合流程以及快速建模的设计方法，保证了M e d i a S o C 一次性流片成功。此外，M e d i a S o C 的设计、实现的过程注意连线时延问题，因为在0 1 8 u r n 工艺及以下，由互连线引入的时延已经等于甚至超过了逻
47、辑门带来的时延，在快速建模的理论指导下，我们进行了许多尝试的流程搭配，比如时钟树布线时的自定义规则、问距控制、屏蔽控制、以及对噪声的预防和修复措旌，最终确定为修复与布线同步进行的策略。在设计的整个阶段，验证是保证结果正确的重要手段，在主要步骤后，我们都及时的采取静态时序验证和逻辑形式验证，这样避免多次门级动态仿真消耗大量人力物力的缺点，并篚及时定位问题出现的环节加以完善或补救。根据软硬件协同设计流程，基于标准单元工艺芯片设计流程，以及全芯片验证环境，可以得出图1 5 中M e d i a S o C 的设计、实现以及验证流程。以下重点分析其设计与实现的流程。1：系统功能与规格要求确定系统的设计
48、目标，包括系统的功能、系统的性能要求等等。通过系统功能与规格要求书的编写，确定系统需要实现的目标。设计人员根据这个设计目标构造实现方案并最终完成整个设计。多媒体系统集成芯片M e d i a S o C 以系统实时完成音视频解码为设计目标，要求芯片能够达到满足M P E G l 解码以及M P 3 播放所需要的性能，同时，经过小范围的重新配置和修改，能够进行M P E G 4 以及H 2 6 4 的解码系统。此外，为了达到M e d i a S o C 的设计功6浙江大学硕士学位论文能目标，需要详细制定出其速度、功耗指标、面积要求等等。总之，通过系统功能号规格要求的定义，明确了M e d i
49、a S o C 的设计要求与设计方向。系统功能与规格要求的定义不是一蹴而就的，它需要在系统结构定义的过程中不断调整和完善，最终得到切合实际的设计目标。图1 4 多媒体系统集成芯片M e d i a S o C 的设计、实现与验证流程2：软硬件划分根据系统功能与规格要求，确定系统的硬件部分和软件部分。一般来说，专用的硬件实现速度侠，功耗低，能够以最小的硬件代价获得最高的设计性能，但是硬件实现的灵活性差。软件实现则具有很强的灵活性，通过修改软件代码，能够使系统适用与不同的应用场合，但是软件实现的速度比较慢。所以，软硬件划分需要在硬件的高性能与软件的灵活性中做出权衡，在满足设计要求的情况下，用最小的
50、软件和硬件代价得到高性能、灵活的芯片实现。多媒体系统芯片M e d i a S o C 的设计目标是音视频解码系统，该设计目标要求M e d i a S o C 具有很强的灵活性，从而能够适应音频、视频多方面的解码要求，所以，M e d i a S o C 不可避免的需要大量的软件来支持其系统实现。M e d i a S o C 的软件实现是通过在其可编程处理器核上运行程序，从而完成大部分的音视频解码处理。此外，M e d i a S o C 还提供了一些专用的A S I c 硬7浙江大学硕士学位论文件模块：如存储控制器、视频播放模块、D M A 控制器等，适用于一些需要高速、重复的任务中。目