??? 在軟硬件協(xié)同仿真過程中，芯片集成的兩個(gè)MIPS核采用VMC模型。VMC是由Synopsys開發(fā)的一種全功能的SmartModel仿真模型。SmartModel是一種標(biāo)準(zhǔn)集成電路的二進(jìn)制行為模型庫^[2]，在這個(gè)庫里有世界上各大半導(dǎo)體廠商的器件模型，包括微處理器、控制器、外圍設(shè)備、FPGA、CPLD、存儲(chǔ)器及通用邏輯器件等，分為全功能模型FFMs(Full-Functional Models)和總線功能模型BFMs（Bus-Functional Models）。VMC屬于FFM，是將Verilog的源代碼編譯成可執(zhí)行文件，并通過仿真工具所具備的SWIFT接口調(diào)用這種模型，可以結(jié)合Verilog或VHDL語言一起進(jìn)行仿真。
??? 首先需要安裝VMC模型^[3]。如圖2所示是MIPS公司提供的一個(gè)簡單的VMC仿真平臺(tái)" title="仿真平臺(tái)">仿真平臺(tái)。CPU和存儲(chǔ)器通過一個(gè)EC_XBUS總線接口控制器連接，CPU對(duì)指令的讀取及存儲(chǔ)器的讀寫操作都是通過EC_XBUS總線接口實(shí)現(xiàn)的。

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??? 以MIPS的VMC的簡單仿真平臺(tái)為參考，可以構(gòu)建HDTV解碼SoC的軟硬件協(xié)同仿真平臺(tái)，如圖3所示。

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??? 其中HDTV解碼SoC芯片的內(nèi)部構(gòu)架如圖1所示。用Synopsys公司的綜合工具DC(Design Compiler)，采用SMIC0.18工藝庫，對(duì)HDTV 解碼SoC芯片的RTL設(shè)計(jì)文件進(jìn)行綜合。在綜合過中對(duì)于MIPS部分定義一個(gè)MIPS核的黑盒子，將MIPS的庫文件讀入進(jìn)行綜合。最后可以得到HDTV解碼SoC的門級(jí)網(wǎng)表文件和標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)文件，將芯片網(wǎng)表文件編譯，并將標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延文件反標(biāo)到網(wǎng)表中。用MIPS的VMC模型來取代圖中的CPU_S和CPU_A，同時(shí)編譯Flash和SDRAM的仿真模型文件。Flash用來存儲(chǔ)要運(yùn)行的程序；SDRAM用來運(yùn)行程序，如操作系統(tǒng)等。
??? 在選取仿真軟件程序時(shí)，應(yīng)選擇驗(yàn)證代碼覆蓋率高的程序。在本次仿真驗(yàn)證中，選擇系統(tǒng)的Boot loader程序。Boot loader程序除了要初始化MIPS 核的相關(guān)寄存器、Cache等，還要初始化芯片中的功能模塊。
2 基于VMC模型的SoC仿真驗(yàn)證流程
??? 本次HDTV解碼SoC芯片的動(dòng)態(tài)時(shí)序仿真采用的程序是MIPS的boot loader程序。Boot loader程序是SoC設(shè)計(jì)中重要的軟件部分，它和硬件的聯(lián)系很密切，用來啟動(dòng)和引導(dǎo)操作系統(tǒng)以及初始化SoC芯片的重要模塊^[1]，因此boot loader程序是對(duì)芯片硬件測試覆蓋率較高的程序。HDTV解碼SoC芯片的boot loader程序是針對(duì)芯片中兩個(gè)MIPS核的。Boot loader的過程如圖4所示。

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??? 在仿真系統(tǒng)中，將Boot Loader的程序先存儲(chǔ)在Flash中。根據(jù)MIPS上電復(fù)位后程序指針將指向初始地址為0X1FC00000,這是按照8位數(shù)據(jù)總線編址，所以在32位EC_XBUS總線上的地址為0X07F00000。由于FLASH的地址只有24位，所以將boot loader的程序安排在0X380000的位置上。同時(shí)將約有2M大小的μClinux內(nèi)核代碼也先存儲(chǔ)在FLASH中，還有音頻MIPS 的處理器的執(zhí)行代碼，以及OSD在處理過程中用到的兩幀圖像也先存儲(chǔ)在Flash中。當(dāng)系統(tǒng)CPU復(fù)位后，F(xiàn)lash中的boot loader就會(huì)開始執(zhí)行。
??? 首先系統(tǒng)CPU判斷運(yùn)行和取指令的操作設(shè)置是否正確，如果正確，就初始化重要的寄存器，如GPR及CPO等，并初始化SDRAM的控制，將boot loader程序從FLASH中讀取到SDRAM中，然后CPU從SDRAM讀取指令繼續(xù)執(zhí)行Boot loader，接著繼續(xù)初始化 CACHE和TLB(Translate Look-aside Buffers)，初始化芯片中重要的功能模塊，如TSD、OSD、PCM等，再測試存儲(chǔ)區(qū)。最后，將μClinux核、音頻MIPS執(zhí)行的代碼以及OSD用到的圖像數(shù)據(jù)從Flash中讀取到SDARM。然后系統(tǒng)CPU將音頻CPU復(fù)位并將系統(tǒng)CPU的程序指針跳到操作系統(tǒng)程序的入口地址。系統(tǒng)CPU運(yùn)行操作系統(tǒng)，音頻CPU進(jìn)行初始化，運(yùn)行MP2的解碼程序，功能模塊也開始運(yùn)行。
??? 在選擇軟硬件協(xié)同仿真的測試程序時(shí)，應(yīng)該考慮測試覆蓋率大的程序。本文中選擇的Boot loader程序除了啟動(dòng)兩個(gè)MIPS外，還初始化芯片中重要的功能模塊，使功能模塊工作，因此其測試覆蓋率很高，能滿足測試的需求。
3 芯片功耗估計(jì)方法
??? 功耗是芯片的一個(gè)重要的指標(biāo)，芯片的功耗主要有靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗" title="動(dòng)態(tài)功耗">動(dòng)態(tài)功耗。芯片的靜態(tài)功耗和芯片的庫工藝有關(guān)，而動(dòng)態(tài)功耗和芯片的信號(hào)翻轉(zhuǎn)率有關(guān)。通過芯片門級(jí)網(wǎng)表的動(dòng)態(tài)時(shí)序仿真可以得到一個(gè)VCD文件。這個(gè)文件可以動(dòng)態(tài)捕獲芯片中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)情況。
??? 本文采用Synopsys公司提供的流程做功耗估計(jì)。功耗估計(jì)流程如圖5所示。

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??? 用經(jīng)過綜合和物理設(shè)計(jì)得到的芯片網(wǎng)表文件、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延文件以及MIPS的VMC模型進(jìn)行軟硬件協(xié)同的動(dòng)態(tài)時(shí)序仿真可以得到VCD(Value Change Dump)文件。由于Power Compiler工具要求使用SAIF(Switching Activity Interchange Format)文件[4]，所以將VCD文件轉(zhuǎn)換成SAIF文件。最后用Power Compiler工具將SAIF文件反標(biāo)到芯片的網(wǎng)表中，用命令report_power 可以得到芯片的功耗文件。得到功耗文件后，可以分析芯片中功耗的分布，為降低功耗的工作做準(zhǔn)備。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
??? 仿真環(huán)境和工具是SUN服務(wù)器上的Cadence公司的NCSIM工具。
??? 在仿真過程中仿真軟件沒有報(bào)timing violation，仿真結(jié)果如圖6所示。Boot loader 結(jié)束時(shí)系統(tǒng)CPU發(fā)復(fù)位命令給音頻CPU，音頻CPU 讀取已經(jīng)存儲(chǔ)的SDRAM程序。音頻CPU被復(fù)位后，驅(qū)動(dòng)32位EC_XBUS總線上的地址EB_A為0X07F00000，它與按照8位數(shù)據(jù)總線編址的初始地址0X1FC00000是一致的。這說明音頻CPU內(nèi)核的啟動(dòng)是正常的，并且繼續(xù)執(zhí)行相應(yīng)的程序。由于系統(tǒng)中的兩個(gè)CPU的復(fù)位后指向地址都是0X1FC00000，在32位EC_XBUS總線上的地址EB_A為0X07F00000，所以在SDRAM中要將兩個(gè)CPU

的訪問地址空間映射到不重疊的空間。

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圖6 HDTV解碼SoC芯片的軟硬件協(xié)同動(dòng)態(tài)時(shí)序仿真結(jié)果

??? 功耗估計(jì)工具是Synopsys公司的Power Compiler，功耗估計(jì)的結(jié)果如表1所示，整個(gè)芯片的平均功耗約為1.179W。由表中可以看到，在smic0.18工藝下動(dòng)態(tài)功耗占了很大比例，并且芯片中元件(cell)的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于布線(net)上的功耗。

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