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摘要：IP复用技术是目前SOC设计方法的关键。有效的基于IP重用的设计方法学需要一整套完整的设计环境支持。其中关键部分是要开发一个包含种类丰富、质量优良的IP模块的IP库。本文介绍了IP复用技术，阐述了SOC设计过程中可重用的IP库开发、管理及其标准化的重要意义。简述了IP库元件开发、评估及标准化过程中存在的若干技术问题。
关键词：SOC；IP复用；IP库；标准化
中图分类号：TN47 文献标识码：A
SOC(System On chip)技术已经成为当今超大规模集成电路的发展趋势，是21世纪集成电路技术的主流，为集成电路产业提供了前所未有的广阔市场和难得的发展机遇。然而，目前集成电路的设计能力和EDA工具能力却远远落后于半导体工业的发展。两者之间日益加剧的差距已经成为SOC技术发展过程中一个突出的障碍。采用IP(Intellectual Property)重用进行设计时减小这一差距的主要有效途径。
然而，基于IP重用的设计方法学需要一整套完整的设计环境(Infrastructure)支持。其中一个关键部分就是开发一个庞大的可重用IP模块(或核)库，即IP库(Repository)。种类丰富、功能正确及性能优良的IP库有助于提高SOC的设计效率，减少设计风险。本文阐述了SOC重用设计过程中IP复用技术和可重用的IP库开发、管理及标准化的重要意义。并简述了这一过程中可能存在的若干技术问题。
1 IP复用技术
VSIA估计从1991年到2005年，芯片设计经历了运用90％新模块和10％重用模块到运用10％新模块和90％重用模块的过程。功能的组装正在逐渐代替功能的设计，成为主流的设计方法。现在SOC设计工程师更为关注的是功能模块的划分、模块的互连和如何进行系统验证等。因此，成功的SOC设计中的关键是IP复用技术。
1．1可重用IP核的特点
IP核的复用过程表现在SOC设计中，这既体现了IP的设计目的，也检验了IP核的设计质量。从而我们可以从SOC设计中整理出IP复用的一些基本条件。与传统的设计方法不同，SOC设计不是从零开始的，而是大量采用预先设计好和验证过的IP核，从而缩短了设计时间。在这样的情况下，IP核必须具有可复用性，即以SOC设计者期望方式工作的能力。可重用的IP核应具有以下几个特点：
(1)具有可配置性，满足不同设计需求；
(2)具有标准接口；
(3)遵守设计规则，确保IP核时序收敛，功能正确；
(4)交付的数据、资料完整，方便芯片的集成。
102可重用的IP核设计风格
作为可复用的设计模块，IP核必须遵从“平易近人”的设计风格。这也许会损失一部分IP核的性能，但IP核如果不能服用或者不能快速地复用，那就失去了它最本质的特性，也就是它存在的意义。下面列出一些经验的设计策略：
1．2．1系统时序
(1)基于同步时序和寄存器来设计电路。(2)必须明确说明时钟的数量和频率。(3)说明芯片复位类型，推荐使用同步复位。
1．2．2系统结构
(1)必须指明外接总线机制，最好采用标准总线；(2)不能指望总线连接的其它模块不出错，要引入一定的容错技术；(3)如果想混用软、硬件IP，层次策略必须定义好。
1．2．3其他
(1)IP软核应该包括延迟，面积和功耗的特性约束，以便进行综合时参考；
(2)硬IP核要面向可能获得复用的工艺技术。
2 可重用的IP库设计
实现基于重用的SOC设计方法学，需要考虑四个关键因素：重用性设计；可重用IP库；SOC设计；重用支撑结构。可重用IP库不仅是这四个关键因素的核心，同时也是整个SOC设计环境中的重要组成部分，如图1所示。SOC的设计环境通常包括两大部分：一是IP和SOC的设计与开发；另一个就是IP库的开发。只有在库中收集了大量有价值的、可重用的模块时，重用的价值才会得到体现和引人注目。
2．1IP库
所谓IP库是指包括各类可重用IP模块，相关基础支持工具和服务在内的中央数据库及与中央数据库相通信的各个层次的子数据库。库中的元件主要是收集和创建的IP。为了满足整个电子行业的需求，库内包含的IP模块的种类必须尽可能的齐全。
IP库的基础支持工具主要用于管理数据和项目，包括IP数据库的访问管理系统、版本控制系统、错误追踪系统及自动列表和静态一搜集(static－gathering)512具等。它们能方便工程师访问库中的IP，扩展库的内容，查看基本数据信息和规范说明，以及下载合适形式的IP，或对其中的IP提出问题。分布在不同层次数据库上的这些工具是实现可重用设计的关键。
IP的获得、发布以及评估IP质量是IP库服务的主要内容。服务包括处理搜集到的第三方提供的IP，并在把这些IP添加到IP库中之前验证并评估其质量。而对于新创建的IP，相关的服务也可以对SOC的重用设计提供专门的指导。
2．2IP库元件的开发
通常，设计一个标准可重用模块的成本大概是设计同类一次性模块的2－3倍。这些在完整性和重用性中额外增加的成本，将在后续SOC设计中通过重用该IP回收。节省的成本大致可以用以下的公式估算。假定设计一个新的电路的工作量为1，对其中所有IP模块进行修改的平均程度为x，重用这些修改后的IP进行设计要比设计一个新的电路减小的工作量为r。则三者满足下列关系式：y=100％－(7+0.82xx)
很明显，设计的标准可重用模块作为IP库元件，IP库推行到整个电子行业，不需要修改即可直接被使用十几或上百个甚至更多的设计中，超过十倍的生产率提高证明进行重用设计完全是值得的。
2．3IP库元件的评估
建立可重用设计进程和IP库的目的都是为了促进SOC的开发。但在实际设计中，IP重用并非易事，有效和自由地“拼装”芯片是一件很有挑战性的工作，“拼装”不同公司的IP尤为困难。这是由于不同的IP可能在设计观点、设计准则和数据格式等方面不同而造成的。实际上，没有一种设计方法能对低质量的IP加以弥补。低质量的IP库有功能错误的IP，或者缺少关键标准化改造的IP，一般不用它们来集成SOC设计。
为此，SOC设计者需要花费一定的精力在IP库中寻找符合质量标准和重用标准的元件。为了尽可能减少设计风险和成本，增加设计者访问高质量的IP库元件的机会，就需要在将IP添加到IP库之前，对其进行严格的功能和标准化方面的评估。
IP的评估包括两大范畴：一是IP的功能是否正确；二是IP的性能是否优良，尤其是对可重用性的评价。
2．4IP数据库的开发和管理
理想情况下，IP数据库中数据中心存放着所有IP的标准数据，这些数据应包括IP的分类信息、基本设计规范、由于交换的可交付项列表(DelivembleS)、评估信息以及联系信息等，它们为整个行业所有用户服务。根据公司和项目的需求可在IP数据库中创建一系列公司库或项目库，存放公司或项目设计所需要的各个IP数据信息，并作为下层经由目录与IP数据中心相通信。将IP库的系统结构划分层次如图2，有利于提高数据库的性能和IP重用的效率，有利于加快数据查询、更新、插入、删除等操作的速度，也有利于保证数据的安全性和对EDA工具的最优化支持。
IP数据库的目录结构应基于业界统一的标准开发，比如国际上权威的IP标准化组织一虚拟插座接口联盟(Virtual SOCk－et Interface Alliance)在这方面所做的标准。IP库中的数据类型从电路的设计流程来看大致有以下七类：系统描述数据、系统验证数据、文档类数据、支持类数据、临时结果数据、声明类数据和其它类型数据。
IP库的数据管理主要包括版本控制、错误追踪、多结点数据的管理和设计项目的存档等。
3 IP库设计的标准化
通过对电子行业多个公司的调研，表明各公司都迫切需求—个完整的标准IP库。设计可重用的IP库并标准化，必须着力解决以下几个关键技术问题：(1)统一IP模块的设计规范；(2)片上总线的标准化；(3)EDA工具接口的标准化；(4)指定部门组织IP库的创建、维护更新及推广应用；(5)征得各IP用户的全方位认可。
目前，国际上有几个关于SOC的标准化组织，专门指定与SOC设计有关的标准。
现行使用的IP核种类繁多，IP设计公司和销售公司不计其数，创建完整的IP库是一个十分艰巨的工作。同样也体现出了IP库的创建及标准化之意义重大。
4 结束语
在SOC设计中，采用设计复用策略是设计成功的关键。IP复用技术科技大地提高设计的效率、降低成本和开发风险、缩短开发周期。而可重用的IP库给IP模块的复用提供了坚实的基础，为多IP公司协作开发SOC提供了条件。
关键词：SOC；IP复用；IP库；标准化
中图分类号：TN47 文献标识码：A
SOC(System On chip)技术已经成为当今超大规模集成电路的发展趋势，是21世纪集成电路技术的主流，为集成电路产业提供了前所未有的广阔市场和难得的发展机遇。然而，目前集成电路的设计能力和EDA工具能力却远远落后于半导体工业的发展。两者之间日益加剧的差距已经成为SOC技术发展过程中一个突出的障碍。采用IP(Intellectual Property)重用进行设计时减小这一差距的主要有效途径。
然而，基于IP重用的设计方法学需要一整套完整的设计环境(Infrastructure)支持。其中一个关键部分就是开发一个庞大的可重用IP模块(或核)库，即IP库(Repository)。种类丰富、功能正确及性能优良的IP库有助于提高SOC的设计效率，减少设计风险。本文阐述了SOC重用设计过程中IP复用技术和可重用的IP库开发、管理及标准化的重要意义。并简述了这一过程中可能存在的若干技术问题。
1 IP复用技术
VSIA估计从1991年到2005年，芯片设计经历了运用90％新模块和10％重用模块到运用10％新模块和90％重用模块的过程。功能的组装正在逐渐代替功能的设计，成为主流的设计方法。现在SOC设计工程师更为关注的是功能模块的划分、模块的互连和如何进行系统验证等。因此，成功的SOC设计中的关键是IP复用技术。
1．1可重用IP核的特点
IP核的复用过程表现在SOC设计中，这既体现了IP的设计目的，也检验了IP核的设计质量。从而我们可以从SOC设计中整理出IP复用的一些基本条件。与传统的设计方法不同，SOC设计不是从零开始的，而是大量采用预先设计好和验证过的IP核，从而缩短了设计时间。在这样的情况下，IP核必须具有可复用性，即以SOC设计者期望方式工作的能力。可重用的IP核应具有以下几个特点：
(1)具有可配置性，满足不同设计需求；
(2)具有标准接口；
(3)遵守设计规则，确保IP核时序收敛，功能正确；
(4)交付的数据、资料完整，方便芯片的集成。
102可重用的IP核设计风格
作为可复用的设计模块，IP核必须遵从“平易近人”的设计风格。这也许会损失一部分IP核的性能，但IP核如果不能服用或者不能快速地复用，那就失去了它最本质的特性，也就是它存在的意义。下面列出一些经验的设计策略：
1．2．1系统时序
(1)基于同步时序和寄存器来设计电路。(2)必须明确说明时钟的数量和频率。(3)说明芯片复位类型，推荐使用同步复位。
1．2．2系统结构
(1)必须指明外接总线机制，最好采用标准总线；(2)不能指望总线连接的其它模块不出错，要引入一定的容错技术；(3)如果想混用软、硬件IP，层次策略必须定义好。
1．2．3其他
(1)IP软核应该包括延迟，面积和功耗的特性约束，以便进行综合时参考；
(2)硬IP核要面向可能获得复用的工艺技术。
2 可重用的IP库设计
实现基于重用的SOC设计方法学，需要考虑四个关键因素：重用性设计；可重用IP库；SOC设计；重用支撑结构。可重用IP库不仅是这四个关键因素的核心，同时也是整个SOC设计环境中的重要组成部分，如图1所示。SOC的设计环境通常包括两大部分：一是IP和SOC的设计与开发；另一个就是IP库的开发。只有在库中收集了大量有价值的、可重用的模块时，重用的价值才会得到体现和引人注目。
2．1IP库
所谓IP库是指包括各类可重用IP模块，相关基础支持工具和服务在内的中央数据库及与中央数据库相通信的各个层次的子数据库。库中的元件主要是收集和创建的IP。为了满足整个电子行业的需求，库内包含的IP模块的种类必须尽可能的齐全。
IP库的基础支持工具主要用于管理数据和项目，包括IP数据库的访问管理系统、版本控制系统、错误追踪系统及自动列表和静态一搜集(static－gathering)512具等。它们能方便工程师访问库中的IP，扩展库的内容，查看基本数据信息和规范说明，以及下载合适形式的IP，或对其中的IP提出问题。分布在不同层次数据库上的这些工具是实现可重用设计的关键。
IP的获得、发布以及评估IP质量是IP库服务的主要内容。服务包括处理搜集到的第三方提供的IP，并在把这些IP添加到IP库中之前验证并评估其质量。而对于新创建的IP，相关的服务也可以对SOC的重用设计提供专门的指导。
2．2IP库元件的开发
通常，设计一个标准可重用模块的成本大概是设计同类一次性模块的2－3倍。这些在完整性和重用性中额外增加的成本，将在后续SOC设计中通过重用该IP回收。节省的成本大致可以用以下的公式估算。假定设计一个新的电路的工作量为1，对其中所有IP模块进行修改的平均程度为x，重用这些修改后的IP进行设计要比设计一个新的电路减小的工作量为r。则三者满足下列关系式：y=100％－(7+0.82xx)
很明显，设计的标准可重用模块作为IP库元件，IP库推行到整个电子行业，不需要修改即可直接被使用十几或上百个甚至更多的设计中，超过十倍的生产率提高证明进行重用设计完全是值得的。
2．3IP库元件的评估
建立可重用设计进程和IP库的目的都是为了促进SOC的开发。但在实际设计中，IP重用并非易事，有效和自由地“拼装”芯片是一件很有挑战性的工作，“拼装”不同公司的IP尤为困难。这是由于不同的IP可能在设计观点、设计准则和数据格式等方面不同而造成的。实际上，没有一种设计方法能对低质量的IP加以弥补。低质量的IP库有功能错误的IP，或者缺少关键标准化改造的IP，一般不用它们来集成SOC设计。
为此，SOC设计者需要花费一定的精力在IP库中寻找符合质量标准和重用标准的元件。为了尽可能减少设计风险和成本，增加设计者访问高质量的IP库元件的机会，就需要在将IP添加到IP库之前，对其进行严格的功能和标准化方面的评估。
IP的评估包括两大范畴：一是IP的功能是否正确；二是IP的性能是否优良，尤其是对可重用性的评价。
2．4IP数据库的开发和管理
理想情况下，IP数据库中数据中心存放着所有IP的标准数据，这些数据应包括IP的分类信息、基本设计规范、由于交换的可交付项列表(DelivembleS)、评估信息以及联系信息等，它们为整个行业所有用户服务。根据公司和项目的需求可在IP数据库中创建一系列公司库或项目库，存放公司或项目设计所需要的各个IP数据信息，并作为下层经由目录与IP数据中心相通信。将IP库的系统结构划分层次如图2，有利于提高数据库的性能和IP重用的效率，有利于加快数据查询、更新、插入、删除等操作的速度，也有利于保证数据的安全性和对EDA工具的最优化支持。
IP数据库的目录结构应基于业界统一的标准开发，比如国际上权威的IP标准化组织一虚拟插座接口联盟(Virtual SOCk－et Interface Alliance)在这方面所做的标准。IP库中的数据类型从电路的设计流程来看大致有以下七类：系统描述数据、系统验证数据、文档类数据、支持类数据、临时结果数据、声明类数据和其它类型数据。
IP库的数据管理主要包括版本控制、错误追踪、多结点数据的管理和设计项目的存档等。
3 IP库设计的标准化
通过对电子行业多个公司的调研，表明各公司都迫切需求—个完整的标准IP库。设计可重用的IP库并标准化，必须着力解决以下几个关键技术问题：(1)统一IP模块的设计规范；(2)片上总线的标准化；(3)EDA工具接口的标准化；(4)指定部门组织IP库的创建、维护更新及推广应用；(5)征得各IP用户的全方位认可。
目前，国际上有几个关于SOC的标准化组织，专门指定与SOC设计有关的标准。
现行使用的IP核种类繁多，IP设计公司和销售公司不计其数，创建完整的IP库是一个十分艰巨的工作。同样也体现出了IP库的创建及标准化之意义重大。
4 结束语
在SOC设计中，采用设计复用策略是设计成功的关键。IP复用技术科技大地提高设计的效率、降低成本和开发风险、缩短开发周期。而可重用的IP库给IP模块的复用提供了坚实的基础，为多IP公司协作开发SOC提供了条件。