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1、浙江大学硕士学位论文多媒体系统集成芯片的实现与验证研究姓名：赖莉雅申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：刘鹏20050201浙江大学硕土学位论文摘要 随着半导体工艺技术的不断发展和多媒体算法的不断深入研究，在单片芯片上集成原来分离的媒体处理器芯片，构造多媒体系统集成芯片，已 成为多媒体处理系统的发展趋势。本文介绍if 浙江大学信息与电子工程学系S o C R&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系列的实现以及验证流程。Me 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
2、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 a 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 及其他接口 单元。该芯片采用。.1 8 K n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、音视频解码、图像处理领域等等。正是由 于多媒体系统芯片结构的复杂以 及采用了 先进的半导体制造工艺，给芯片的 实现和验证带来了困 难。本文以 多媒体系统芯片M e d i a S o C为例，
3、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 综合、物理实现和软件验证的问 题。具体的内容以 及研究工作包括:综合作为逻辑设计和物理实现之间的 桥梁，在现代集成电 路设计中 发挥了 越来越重要的作用。本文针对M e d i a S o C双核的结构特点，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，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。为了避免在物理设计的后期才发现问题所导致大的反复，本文在物理设计的前期首先构造物
4、理原型，把物理可实现性的验证过程压缩到几个小时以内，从而快速验证设计的 物理可实现性，这有利于评估多个设计方案并提出切实可行的实现方法。此外，本文还研究了M e d i a S o C物理实现中的儿个关 键技术:包括物理模块的规划、电 源网 络设计、时钟网 络设计以及时序问 题。以上几个问题的成功解决，确保了M e d i a S o C物理实现的顺利完成。对M e d i a S o C的软件验证作了研究。在动态验证过程中，采用了单元模块验证和系统级验证的层次化验证策略。在静态验证过程中，提出了 渐进式验证、层次化验证和扁平化验证相结合、静态验证与动态仿真协同验证这三大静态验证原则。Me d
5、 i a S o C的软件验证不但检验了设计的功能与性能，通过验证分析，还对设计的 优化提出了 改进意见，把验证和设计这两大部分内容紧密结合起来。关键词:媒体处理器 系统集成芯片 物理综合 物理原型 静态时序分析 形式验证第 F 页浙江大学硕士学位论文Ab s t r a c t Wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f s e m i c o n d u c t o r t e c h n o l o g y a n d t h e i m p r o v e m e n t s i n m u l t i-m e d i aa l g o r i t h
6、 m r e s e a r c h,m u l t i-m e d i a p r o c e s s i n g s y s t e m c a n b e i n t e g r a t e d i n t o o n e c h i p,w h i c h c a l l e dm u l t i m e d i a s y s t e m-o n-c h i p(S o C.I n t h i s p a p e r,w e d e s c r i b e a m e d i a S o C一Me d i a S o C s e r i a l s,w h i c h a r e d
7、 e v e l o p e d b y t h e D e p a rt m e n t o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g i nZ h e j i a n g U n v e r s i t y.Me d i a S o C c o n s i s t s o f t w o p r o g r a m m a b l e p r o c e s s o r c o r e s:a R I S C c o r eR I S C 3 2 0 0 a n
8、 d a R I S C/D S P c o r e Me d i a D S P 3 2 0 0.F o r t h e a p p l i c a t i o n o f m e d i a p r o c e s s i n g,Me d i a S o C a l s o i n c l u d e s s o m e A S I C m o d u l e s u c h a s d i g i t a l v i d e o e n c o d e r,m e m o ry c o n t r o l l e r,D M A c o n t r o l l e r,a n d o
9、t h e r i n t e r f a c e u n i t s.T h e c h i p r e f e r r e d b y t h i s p a p e r h a s b e e n s u c c e s s f u lf a b r i c a t e d b y 0.1 8 p m t e c h n o l o g y j u s t o n e t i m e,t h e t e s t r e s u l t s h o w s t h a t Me d i a S o C c a n b e w i d e l yu s e d i n a r a n g e
10、 o f m u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n,s u c h a s s i gna l p r o c e s s i n g,a u d i o/v i d e o d e c o d i n g a n di ma g e p r o c e s s ing T h e im p l e m e n t a t i o n a n d v e r i fi c a t i o n o f m e d i a S o C a r e d i ff i c u l t b e c a u s e o f i t s c o m p l i c
11、a t e da r c h i t e c t u r e a n d a d v a n c e d f a b r i c a t e d t e c h n o l o g y.T h i s p a p e r t a k e s Me d i a S o C f o r e x a m p l e;m a i n l yd i s c u s s t h e s y n t h e s i s,p h y s i c a l i m p l e m e n t a t i o n a n d s t a t i c v e r i f i c a t i o n f o r m e
12、 d i a S o C.T h e m a i nc o n t e n t s a n d w o r k s i n t h i s p a p e r i n c lu d e:A s t h e b r i d g e w h i c h l i n k s l o g i c d e s i gn a n d p h y s i c a l i m p l e m e n t a t i o n,s y n t h e s i s i s b e c o m i n gm o re a n d m o re i m p o r t a n t i n m o d e m I C d
13、 e s i g n.F o r t h e d u a l-c o r e f e a t u r e,w e d i s c u s s t h ea r c h i t e c t u r e d e s i g n w h i c h b e n e f i t s s y n t h e s i s.O n t h e o t h e r h a n d,M e d i a S o C t a k e s t h e p h y s i c a ls y n t h e s i s fl o w b e c a u s e o f t h e l i m i t a t i o n
14、o f t r a d i t i o n a l l o g i c s y n t h e s i s.D u r i n g t h e w o r k i n g i nM e d i a S o C s y n t h e s i s,w e t i g h t ly i n t e g r a t e l o g i c s y n t h e s i s a n d p h y s i c a l s y n t h e s i s,a n d u s e d i f f e r e n ts t r a t e g y i n d i f f e r e n t s y n t
15、 h e s i s p h a s e s.I n o r d e r t o d i s c o v e r b u g s i n t h e p h y s i c a l d e s i gn a s e a r l y a s w e c a n,w e b u il d p h y s i c a lp r o t o t y p i n g i n t h e d e s i gn o f Me d i a S o C f ir s t l y,w h i c h c a n c o m p r e s s p h y s i c a l f e a s i b i l i t
16、 y s t a g e d o w nt o a f e w h o u r s.T h e e s t a b l i s h m e n t o f p r o t o t y p i n g e n a b l e s t h e e n g i n e e r s t o e v a l u a t e d e s i g nt r a d e-o f f s a n d c r e a t e s a r e a l i s t i c i m p l e m e n t a t i o n p l a n.S e v e r a l k e y i s s u e s a r e
17、 a l s o s t u d i e d i np h y s i c a l i m p l e m e n t a t i o n s t a g e,i n c l u d i n g p h y s i c a l m o d u l e p l a n n i n g,p o w e r g r i d d e s i g n,c l o c k t r e ed e s i g n a n d t i m i n g,a n d w i t h t h e s o l u t i o n t o t h e p r o b l e m s a b o v e,w e e n s
18、 u r e t h e s u c c e s s o f c h i pi m p l e m e n t a t i o n Me d i a S o C s o f t w a r e v e r i fi c a t i o n i s a l s o s t u d i e d i n t h i s p a p e r,i n c l u d i n g d y n a m i c v e r i f i c a t i o na n d s t a t i c v e ri fi c a t i o n.D y n a m i c v e r i f i c a t i o n
19、 i s d i v i d e d i n t o m o d u l e v e r i f i c a t i o n a n d s y s t e mv e r i f i c a t i o n.F u rt h e r m o r e,t h r e e p r i n c i p l e s a r e s u g g e s t e d i n s t a t i c v e r i fi c a t i o n o f Me d i a S o C,w h i c hi n c l u d e s s t e p-b y-s t e p v e r i fi c a t i
20、 o n,h i e r a r c h i c a l/fl a t t e n e d c o-v e r i f i c a t i o n a n d s t a t i c/d y n a m i cc o-v e r i fi c a t i o n.B y u s in g s o f t w a r e v e r i f i c a t i o n,w e c a n n o t o n l y v e r i f y t h e f u n c t i o n a n dp e r f o r m a n c e o f d e s i g n,b u t a l s o
21、g i v e s o m e u s e f u l a d v i c e f o r t h e o p t i m i z a t i o n o f d e s i g n,a n dc o m b i n e v e r if i c a t i o n a n d d e s i gn t i g h t l y.K e y w o r d s:M e d ia P r o c e s s o r,S y s t e m o n C h i p,p h y s i c a l s y n t h e s i s,p h y s i c a l p r o t o t y p in
22、 g,s t a t i ct i mi n g a n a l y s i s,f o r m a l v e r i fi c a t i o n第2 页浙江大学硕士学位论文第一章 绪论 随着人们对多媒体需求的不断增长，产生了各种各样的 媒体处理技术，对多媒体处理系统也提出了 许多新的要求。多媒体处理系统必须具备强大的计算能力、提供灵活的应用方法来支持各方面的多媒体应用，这就需要加强对多媒体处理系统的架构以 及实现方式的研究 深亚微米半导体技术已 使得在一块芯片上集成几亿个品体管成为可能，随着芯片集成度的飞速提高，一个电子系统或分系统可以完全集成在一块芯片之上，集成电路的设计已经进入系统集
23、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、多处理器的多媒体处理芯片的架构以及系统集成芯片的设计方法。然后重点介绍了多媒体系统集成芯片M e d i a S o C的体系结构及其设计、实现与验证的 流程。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，构成一个系统集成环境来满足口益增长的多媒体应用领域
24、。1.1.1 多媒体处理器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 川 多媒体处理器的分类第 5页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，如各种工作站和个人电脑的中央处理器。这类处理器又可以分为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 m 4 处理器和A MD的A t h l o n 处理器，而后者的代表有S u n的S P A R C 系列处理器和I B M的P o w e r P C系列。C I S C处理器着眼于 采用复杂
25、的 指令系统，一条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 低每条指令执行周期数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，,言 们大都针对多媒体处理进行了 扩展。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 n t i。系列的M M X 2 ,S S E,S S E 2 3 指令扩展，A M D公司的3 D N o w!4 5 指令扩展，U l t r d S P A R GI 处理器的V I S 6 和P o w e r P C的A lt iv e c 7 指令扩 展。另外
26、一 类处理 器没 有增加媒 体处理指令，为f 补偿 这些处理器没有特殊的 指令集支持，他们都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 命令组直接变换成 1 2 8 b i t V L I W命令组，由 此可省略执行x 8 6 命令的复杂电路，以简单的V L I W型构造硬件部分。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/音频处理器。这类处理器为了专门的目的而设计，如专为数字滤波器应用而设计，因而专门针对特殊的应用作了一些优化，如 D S P处理器最典
27、型的特性就是对乘累加指令的硬件支持。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。T 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 lip 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、M O T O R O L A 公司M 系列、S t a r C o r e 公司的S C系列等D S P处理器。其中，T MS 3 2 0 C 6
28、 4 x x 采用 V L I W结构，具有类似 R I S C的3 2 位简单指令，支持S I MD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 0 0 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，多媒体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 T)处理的专用处理器 1 1-1 3 ,L S I L o g ic的L 6 4 7 3 5 D C T处理器芯片和三菱的A d v a n
29、 c e d T e l e v i s i o n(A T V)解码器。但专用处 理器比 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其优势。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f 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
30、，其性能比可编程处理器强而又比专用处理器增加了灵活性。这类处理器的例子如MA T R I X和X i l i n x 和A l t e r a 的F P G A,M A T R I 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 a第 6页浙江大学硕十学位论文的最新的F P G A包含了一位计算单元。能够在小于一毫秒的时间内部分的重配置.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I P 核 汇 1 5 1.可编程处理器、专
31、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 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 最广泛的应用。1.1.2多处理器的多媒体系统集成芯片的体系结构 多媒体系统集成芯片中包含了单个或多个的多媒体处理器，随着多媒体技术的不断发展，越来越多的系统芯片中集成了多个处理器内核，形成多处理器的多媒体系统集成芯片人们可以将多处理器设计定义为这样的系统:它把各项功能和任务分配给多个处理器去完成，而这些处理器 彼此协调、互相沟通，以 保证行为一致。多处理器
32、系统比 单处理器设计更加复杂。它要求为内 务操作和协调功能 进行额外的编程，调试也更为复杂。这是因为多处理器系统需要各处理器间的交互作用，而在单处理器体系结构中不存在这种处理器之间的交互作用的问 题。尽管多处理器设计增加了复杂性，但多 年来，它一直用于高性能计算机和工作站中，而且正跻身于日 益增多的嵌入式系统应用之中【1 6 1.人们之所以 使用多个处理器，一条突出的理由是，它们能够比单个处理器提供更强的处理能力。在实时的多媒体应用系统中，需要同时对视频流和音频流处理，要求芯片达到侮秒上1 0 亿次的 处 理速 度，这靠单 个处 理器 是无法 完成的。例如，N o k ia 的N-G a g
33、e 系 统包含了 一 个移动电 话、迷 你唱 片播 放机和 M P 3播 放机 1 7 1。又如，机顶 盒能够 访问 数 字电 视以 及相关的 节目，也能够作为网 关访问 英特网，甚至能够作为家庭网 络的 集线器。对于以 上这些应用，系统架构者往往需要通过多处理器的设计 才能获得所需要的性能指标。同时，深亚微米集成电路系统芯片的不断发展，也使得在单个芯片内 集成多个处理器和大量的存储单 元成为可能。V I P E R 是应用 于机 顶盒的 一 种多 处理器芯 片【1 8-1 9)。它包 含了 一 个3 2 位的M I P S 微处理器 核和一 个P h ilip s T r iM e d i
34、a D S P 处理 器核。M I P S 处 理 器 核工 作在1 5 0 M 1%，用来 控制整个系统芯片以及处理应用层;D S P处理器核工作在2 0 0 1 1 z，负责处理所有的多媒体计算。除了 这两个通用的处理器核，V I P E R还包含了多个专用多媒体协处理器、芯片输入输出单元以 及高性能的总线，便于同时处理视频、音频、图形和数据传输。系统集成芯片MB R I D可以 广泛使用于多媒体 应用领域 2 0-2 2 1，它包含了 三个可编程的处理器核，分别为D S P 处理器核H i P A R，宏块处理器核MP 和流处理器核S P，这三个处理器核都根据各自 应用领域的算法作了 优
35、化。D S P处理器核H i P A R采用4 发射的超长指令字(V L I W)结构，包含了1 6 条并行的数据通道，并且 根据两维的D S P 数据处理算法作了 优化，适用于F F T以及滤波方面的应用。宏块处理器核 M P适用于视频流中的宏块处理，它包含了 一个异质结构的数据通道，采用了亚字并行技术，并且根据典型的视频流处理步骤对指令集作了 优化。流处理器核S P 适用于比 特流的处理、全局的系统控制以 及不同界面单元之间第 7页浙江大学硕士学位论文的 数据流管理，它采用一个R I S C处理器核来实现。除了以 上三个可编程处理器核，H i B R I D提供了大量的片上存储单元，方便的
36、接口 单元，以及一 个6 4 位的A M B A A I E 系统总线。文献 2 3-2 4 介绍的。M A P架 构 便属于另一 个典型的R I S C与D S P 双核 结构。如 图1.2所示，它包含一个T I 的T MS 3 2 0 C 5 x D S P处理器核，以 及一个A R M9 2 5 T R I S C处理器核。两个处理器都有各自 的存储管理单元，通过各自的接口 信号与外设进行通讯。胃 C l爵ARM$;lym ni 1#qDMA处理器核高速缓存 MM U存储接口 图 1.2 O MA P结构 O M A P 架构中的R I S C核负责执行控制类任务，如操作系统，用户接口，
37、操作系统应用等，而D S P核负责执行信号处理任务，如M P E G 4 编解码等。两者分工明 确，使其能 适用于复杂多媒体任务要求。O M A P架构的另一优势在于它所采用的两个处理器核具有成熟的开发工具，软件开发可以在T I 和A R M提供的工具平台上进行。为了使用多媒体应用的需要，不同的多处理器核多媒体处理芯片总是存在一些相通之处，山上面一些例子我们可以 得出在多处理器核多媒体处理芯片的体系结构中，包含以下几个特点:1:至少包含一个D S P 核和一 个 R I S C 核，甚至包含更多的处理器内核。R I S C处理器核最适用于执行控制类代码，如操作系统、用户接口、系统控制等等;D
38、s P处理器适用于信号处理应用，如F I R滤波:F F T变换;小波变换等等。处理器可以 来自 于处理器提供商，也可以自 行设计，通常处理器指令集加入了多媒体增强指令。2:集成了专用的多媒体协处理器或是专用 A S I C部件。专用部件加快了 某些特殊算法的 执行速度，例如H u f fu m a n 解码、T V 编码器等，它以 最小的 硬件代价获得最高的性能。3:高性能的片上总线。多个处理器系统之间的交互作用使得处理器之间的通信机制变得复杂，此外，处理器还需要同片上和片外存储单元之间相互通信。所以，多媒体系统集成芯片需要高 性能的片上总线系统来支持不同 部件之间的 通信。4:丰富的片上存
39、储资 源。多媒体应用中 存在大量的 数据，所以 需要大容量的片上存储资源来存放数据。现阶段的多处理系统集成芯片中，存储单元已经占到总面积的 5 0/0，并且这一数据到2 0 0 5 年将增长到7 0%,2 0 1 4 年增长到92%【巧第 8 页浙江大学硕士学位论文 5:灵活多变的接口。包括与片外各种存储单元的接n，以及音频、视频输入输出接口。以上几个部分构成了多媒体系统集成芯片主要的硬件体系结构，此外，由于采用了可编程的处理器核，编译器设计与软件开发在系统集成环境中 越来越重要，用灵活的高性能软件实现逐步代替硬件单元，已经成为多媒体系统集成芯片的一大趋势。1.1.3系统集成芯片的设计方法 刘
40、于系统集成芯片设计，最常采用的 是基于平台的设计方法 2 5 .基于平台的设计方法针对特定的产品 应用，以I P复用、片上 总线为基础，以软硬件协同开发为特征，根据产品的系统目 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芯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 及面积限制等等。软件方面主要包括编译系统，实时操作系统R T O S，底层驱动软件，中间件软件以及应用软件的分层，任务调度和任务间 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
41、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。设计要求洲鉴监炸牛图1.3 基于平台的正交型系统集成芯片的设计方法 文献 2 6 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1.3 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:功能设计根据系统的设计要求，采用系统功能描述语言和工具，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: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 第
42、 9页浙江大学硕士学位论文结构。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: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 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，也需要通过性能分析确定I P的类型。系统整合:系统整合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
43、显著特点是正交性，把平台映射和 I P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I P、软件、R T L代码等方面的 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 路设计方法能 够大幅度地提高设计的效率，并且降低设计的风险，它在系统集成芯片中得到了广泛的应用。1.2多媒体系统集成芯片Me d i a S o C设计与实现 M e d i a S o C系列是由 浙江大学信息与电 子下程学系S o C R&D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，码、图像处理领域等等。小组开发的
44、具有自 主知识包括信号处理、音视频解1.2.1双核结构的多媒体系统集成芯片Me d i a S o C 多媒体系统芯片M e d i a S o C的系统结构图如图1.4 所示。针对多媒体应用领域，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 0 0，这两个内 核均由 浙江大学信息与电 子工程学系S o C R&D小组自 主开发，M e d i a D S P 3 2 0 0 负责视频数据的处理，而R J S C 3 2 0 0 负责音频以 及系统调度，它们都提供了 强大灵活的多媒体应用软件编程能力
45、。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采用了 一种基于多 通道D M A的总线调度策略，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 MA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。第 1 0页浙江人学硕士学位论文C L A S IS R A MPLASHSRAMp s dg配置寄存器处理器核R 工 S C 3 2 0 0 处理器核M e d i aD S
46、P 3 20 0码 M P EC6 x&N mC D R O MV A UI R _ D R A MI M _ I_ R A M M 一 D 一 R A M!片 比R A MD M A9 k1 护D R A M,S D R A M控琳器IN N A VttJA喇叭D R A M,S D R A M电视图工 4多媒体系统集成芯片M e d ia S o C的系统结构 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 媒体计
47、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 负责视频数据的后处理。处理器核R I S C 3 2 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 P R 4 0 0 0 的指令集兼容，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。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
48、 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 J S C 3 2 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 ia S o C 包含了 大量的片 上存储 单元。其中，R I S C 3 2 0。包含了1 6 K b y t e 的 指 令C a c h e,2 4 K b y te的数据 R A M(R es DR A M);M e d i a D S P 3 2 0 0则包含了 8 K b y te双端口的 R A M (M-1-R A M)，用来存 放指令，以 及2 4 K b y t。单端口 的 数据R
49、A M(M D es R A M)。另 外，由于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 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 I S D R
50、 A M 接G可以用来支持不同类型的D R A M/S D R 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，而芯片测试用的 指令和数据存放在S R A M 1 1,，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 数据请求源第 H 页浙江大学硕上学位论文都要通过总线访问单一的片外存储器，合理调度这些总线请求成为系统设计的关键。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 个清求源，形成相对独立的6 个数据传输通