基于分离传输的网络处理器片上总线设计与实现

论文摘要

随着大规模集成电路和半导体工艺的发展,片上系统（SoC）越来越广泛地被应用到各个领域。板级和ASlC中的总线结构己无法满足复杂的芯片要求,片上总线（On Chip Bus,OCB）设计技术己成为目前SoC设计的一个关键技术。如何方便快捷地集成IP核,使得SoC中各个功能模块的信息交互高效进行,是该领域亟需解决的问题。本文为网络处理器XDNP的异构多核系统设计了一种高性能的片上总线结构。该总线结构采用了两层总线来实现,分为控制平面层总线和数据平面层总线。我们在设计数据平面总线时,采用了基于分离传输的总线连接,并为该总线设计了基于混合优先级仲裁算法的总线仲裁器,以保证系统中主设备总线使用权的公平性和优先性。控制平面层总线则主要包括两部分:AHB总线和PLB-AHB总线桥。PLB-AHB总线桥实现了具有PLB总线接口的处理器能够和具有AHB总线接口的从设备之间的通信。本文中设计PLB-AHB总线桥,是为了使得具有AHB总线接口的网络处理器系统可以在Xilinx系列的FPGA板中测试验证。在片上总线的验证过程中,本文采用了仿真验证和断言验证（SVA）相结合的验证方法,来进一步保证设计模块的正确性。同时利用断言快速查找和定位设计缺陷的优点,提高了验证效率。在完成功能验证的工作之后,本文搭建了性能对比平台,得出了采用分离总线结构的网络处理器系统,总线吞吐率达到5.8Gbps,相比使用AHB共享总线连接,效率提升2.3倍,平均时延降低了45%。最后,本文使用SYNOPSYS公司的Design Compile工具对片上总线设计模块进行了综合,综合结果表明,片上总线模块在250MHz下的满足时序上的要求,能够达到设计规格中片上总线工作频率为232MHz的设计指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 课题简介
• 1.3 论文主要工作和论文结构安排
• 第二章 SoC 设计和片上总线技术
• 2.1 SoC 的设计方法
• 2.2 片上总线技术
• 2.2.1 片上总线的背景
• 2.2.2 基于片上总线的SoC 结构
• 2.2.3 片上总线结构中的仲裁
• 2.3 基于分离传输的片上总线
• 2.4 本章小结
• 第三章 网络处理器的片上总线结构
• 3.1 XDNP 总线的总体结构
• 3.1.1 控制平面总线
• 3.1.2 数据平面总线
• 3.2 数据平面的分离总线结构
• 3.3 分离总线接口模块设计
• 3.3.1 主设备总线接口模块设计
• 3.3.2 从设备总线接口模块设计
• 3.4 分离总线仲裁器设计
• 3.4.1 分离总线仲裁算法介绍
• 3.4.2 仲裁器的电路结构实现
• 3.5 本章小结
• 第四章 控制平面总线桥设计实现
• 4.1 PLB 和AHB 总线简介
• 4.1.1 PLB 总线简介
• 4.1.2 AHB 总线简介
• 4.2 PLB 总线和AHB 总线对比分析
• 4.2.1 等待周期不同
• 4.2.2 传输终止方式不同
• AHB 总线桥的设计实现'>4.3 PLB_AHB 总线桥的设计实现
• 4.3.1 控制信号编码转换
• 4.3.2 控制信号时序转换
• 4.4 本章小结
• 第五章 片上总线功能验证和性能分析
• 5.1 验证方法简介
• 5.1.1 常用的验证方法
• 5.1.2 提高验证效率的方法
• 5.2 XDNP 片上总线仿真验证
• 5.2.1 分离总线接口信号验证
• 5.2.2 总线仲裁器验证
• 5.2.3 总线桥验证
• 5.3 XDNP 片上总线断言验证
• 5.4 XDNP 片上总线性能分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果
• 附录1 修改波形显示的TCL 脚本
• 附录2 总线验证的汇编程序
• 附录3 设计中的断言模块