開放核協議—IP核在SoC設計中的接口技術
摘 要：本文介紹了IP核的概念及其在SoC設計中的應用，討論了為提高IP核的復用能力而采用的IP核與系統的接口技術。
關鍵詞：SoC；IP核；OCP
引言
隨著半導體技術的發展,深亞微米工藝加工技術允許開發上百萬門級的單芯片，已能夠將系統級設計集成到單個芯片中即實現片上系統SoC。IP核的復用是SoC設計的關鍵，但困難在于缺乏IP核與系統的接口標準，因此，開發統一的IP核接口標準對提高IP核的復用意義重大。本文簡單介紹IP核概念，然后從接口標準的角度討論在SoC設計中提高IP核的復用度，從而簡化系統設計和驗證的方法，主要討論OCP(開放核協議)。
圖1 OCP工作原理示意
圖2 讀/寫操作的時序
圖3 讀/寫狀態機
OCP簡介
基于IP核復用技術的SoC 設計使芯片的設計從以硬件為中心轉向以軟件為中心，芯片設計不再是門級的設計，而是IP核和接口及其復用設計。IP核集成到系統所要考慮的問題包括：同步，例如全局執行、數據交換和協議方面的同步操作；協議轉換，不同模塊間不兼容的協議的轉換，封裝可用來解決這個問題，但需要考慮時序約束；I/O緩存，為滿足系統行為和時序約束可能需要緩存數據。另外，出于對核設計的保護會故意隱藏一些信息，而這些信息在集成時可能需要。為解決這些問題需要一個好的接口標準，一些大公司現在已有自己的IP核接口標準，比如Altera的Avalon，Atlantic、IBM的CoreConnect、ARM的AMBA等。因為核的多樣性，使用完全相同的接口是不現實的，OCP將軟件中的分層概念應用到IP核接口，提供一種具有通用結構定義、可擴展的接口協議，方便了IP核與系統的集成。
OCP協議使IP核與系統的接口與IP核的功能無關，設計人員不需要了解核內部也能利用它進行系統設計。OCP接口允許設計者根據不同的目的配置接口，包括接口的數據寬度、交換的握手協議等，在SoC設計中可以裁剪核的功能，降低設計復雜性，減小面積，同時滿足SoC的要求；OCP接口還保持核在集成到系統的過程中自身完全不被改變，就是說在總線寬度、總線頻率或電氣負載有變化時核保持不變。使用OCP接口的設計可以交付即插即用的模塊，同時支持核的開發與系統設計并行，節省設計時間。
OCP接口運行機制
OCP定義兩個通信實體間點到點的接口。其中一個實體作為通信的主體(Master)，另一個作為從體(Slave)。只有Master可以發命令，Slave響應Master的命令，接收或發送數據。封裝接口模塊必須擔當每個連接實體的對應端，當連接實體是Master時，封裝接口模塊就作為對應的Slave；當連接實體是Slave時，封裝接口模塊作Master。
OCP的工作原理如圖1所示。圖中有三個IP核，其中左邊標有Initiator的IP核是通信的發起方，作Master；右邊標有Target的是通信的目標方，作Slave；中間的既可作Master又可作Slave；下面的框圖代表封裝接口模塊；從Master出來并進入Slave的箭頭表示請求命令，從Slave出來并進入Master的箭頭表示響應；加黑的線段代表片上互連總線。兩個IP核通過接口通信的過程是：作為Master的 IP核發出請求命令給對應的Slave端(總線封裝接口模塊)；封裝接口模塊通過片上總線將請求命令(OCP并不指定片上互連總線的工作機制，而是把OCP命令轉換成總線上的傳送)傳送給接收方的總線封裝模塊；接收方的總線封裝模塊再作為Master把這種內部總線傳輸轉換成合法的OCP命令傳送給目標IP核；其作為Slave方接收命令并執行所要求的操作。
每一個OCP接口都是可根據連接實體的要求進行配置的(通過選擇需要的信號或某一信號的位寬)，也是互相獨立的，例如系統中通信發起者總是會需要比目標方更多的地址位數用來選擇發起者所要求的目標。
OCP接口信號
OCP通過命令完成實體間的通信操作，在接口為選擇的命令配置相應信號，所有的信號都是在時鐘上升沿采樣，是完全的同步設計。OCP接口信號包括數據信號、邊帶信號和測試信號。數據信號又分為基本信號、簡單擴展信號、猝發信號和多線程擴展信號。所有IP核都需要基本數據信號中的一組信號，其他可選信號用于支持通信需要，實現可配置和可擴展性。
基本數據信號包括：Clk、MAddr、MCmd、MData、MDataValid、MRespAccept、SCmdAccept、SData、SDataAccept、SResp。其中只有CLK和MCmd是必須的，其他可選。Mcmd是傳輸命令，指出主方OCP傳輸類型，包括讀、寫和廣播類型的八種命令。簡單擴展信號增加了OCP接口地址空間、字節使能和核在不同階段的特征信息。猝發式擴展信號允許猝發傳輸，可設置不同猝發傳輸模式的參數。多線程擴展信號支持OCP接口的多線程處理。邊帶信號傳送諸如復位、中斷、錯誤和核特性標志等控制信息，也是IP核與系統間交換控制和狀態信息的手段，可以同請求／響應信號異步，但與時鐘上升沿同步。測試信號支持掃描、時鐘控制和JTAG。
OCP接口時序及接口狀態機
以簡單讀寫操作的時序為例說明OCP接口時序要求，如圖2所示。
在上升沿1處OCP Master方通過將MCmd由Idle變為Wr開始進入請求狀態，在此周期內把地址A1和數據D1分別送到MAddr和MData信號線上，Slave必須在同一個周期內發出SCmdAccept有效信號；Slave在上升沿2處開始接收地址和數據并進行內部寫操作；在上升沿4處MCmd賦值為Rd，OCP進入讀請求狀態，在這個周期內Master方將地址放在MAddr信號線上，在同周期Slave發出SCmdAccept有效信號；在上升沿5處Slave方置SResp為DVA從而開始響應階段，請求階段結束，根據從MAddr獲得的地址讀取數據并放到SData信號線上；在上升沿6處開始Master方收到Slave的響應信號并開始讀數據，響應階段完成。
圖3是在讀、寫操作中請求階段和響應階段主、從兩方的狀態機。
Master和Slave都是從IDLE狀態開始，當檢測到MCmd變為讀或寫時Master轉為請求階段，Slave轉到讀或寫狀態。如果是讀操作，Master的請求狀態持續到SCmdAccept有效，Slave在完成讀操作后發出SCmdAccept有效信號并置SResp為DVA，Slave變為響應狀態，Master進入IDLE狀態；SResp是NULL時，Slave沒有進入響應狀態Master進入Wait Resp狀態，等待Slave進入響應狀態。如果是寫操作，沒有響應信號，當SCmdAccept有效時Master的請求階段結束進入IDLE狀態,Slave處理寫操作，完成后進入IDLE狀態。
結語
OCP是基于核的免費開放的接口協議，可以根據不同IP核的通信要求進行配置和擴展，能夠實現硬件集成真正的即插即用，允許系統集成根據應用需要選擇最好的IP核和互聯機制。OCP為IP核設計提供了解決可配置性和接口的較好辦法，實現了IP核與系統集成的Socket接口，能夠做到核的模塊化和即插即用特性。
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