導航系統SoC芯片設計方案分析

引 言

伴隨著導航系統功能日益多樣化、軟件算法愈加復雜和集成度要求更高的趨勢，在大規模可編程器件上設計、驗證和測試導航SoC芯片成為解決方案之一。導航系統SoC芯片設計的要求主要有：

①安全性。芯片的所有功能模塊運行正常，運行機制透明，可靠性強。

②可配置性。根據應用要求對硬件進行裁減和配置，達到最佳的功能、功耗和面積比。

③高運算能力。具備在特定時間內完成復雜算法的運算能力。

SoC芯片的核心是實現運算和控制功能的微處理器。LEON是一款基于SPARC V8架構的開源微處理器IP軟核，在VHDL源代碼基礎上，結合具體需求加入定制的運算單元和外設接口建立SoC系統。在配置靈活的LEON核上運行 Embedded Linux，提供SoC調試和測試的基本平臺。

1 軟硬件平臺構建

1.1 LEON軟核架構簡介

LEON核心是一個與SPARCV8兼容的整數處理單元IU(Integer Unit)，LEON2是5級流水線，LEON3是7級流水線。LEON包含整數硬件乘法和除法單元、雙協處理器接口(FPU浮點處理單元和Co- processor協處理器)，分離的指令和數據總線(Harncard結構)。LEON通過高速的AMBA-AHB總線，指令緩存和數據緩存分別和內存控制器及高速的外部接口相連傳輸數據。低速的AMBA-APB總線實現片上外設的接口，例如定時器、串口、網絡接口等。LEON3軟核可配置體系架構如圖 l所示。

1.2.1 開源性

基于GPL許可證協議，LEON非容錯版本軟核IP提供VHDL源代碼，僅是容錯版本的LEON軟核需要商業授權。源代碼公開足實現導航系統SoC芯片設計安全性的前提，同時也使研究者和開發者從根本上研究軟核的細節從而定制滿足具體應用的軟核成為可能。與全部源代碼開放的LEON相比，Altera的 NIOS軟核等其他軟核僅提供若干接口，無法在更深的軟核層次上進行設汁和優化。

1.2.2 優異的可配置性

LEON軟核通過集成一套豐富的接口和運算單元IP庫，根據具體要求來達到性能、功耗和面積的平衡和優化的目的。

①軟核IU可配置參數包括流水線的深度、地址和數據高速緩存(Cache)。另外，常用指令及指令序列可以根據定制的硬件進行優化;在設計或配置新運算單元后能夠對指令集進行擴展。在導航系統SoC芯片設計中，通過配置LEON的整數硬件乘除法單元以實現較高的運算性能;而在其他某些使用軟件乘除法，即滿足要求的應用中無需配置，以降低功耗和優化芯片面積。

②外圍設備接口硬件通過掛載AMBA總線來實現。LEON3的AMBA-AHP總線上能夠靈活選擇集成opencores的以太網控制器和GRETH以太網控制器中的任意一個。針對導航系統中常見的1553總線接口設備，在LEON中通過配置GRl553單元完成1553總線到AMBA-AHB總線的轉換，為1553總線沒備的集成提供了方便。

③硬件加速單元(如特定加密算法、數字信號處理單元和浮點處理單元)根據需求集成。

優異的可配置性帶來了硬件設計極大的靈活性，也為嵌入式操作系統的移植帶來了一定難度(特別是在擴展了指令集的情況下)。考慮到進行性能測試的完整性和靈活性，LEON3軟棱在本項目中的配置方案如圖2所示。(詳細配置參數未列出)

1.2.3 良好的可移植性

LEON軟核通過層次度分明的VHDL模型實現。通過VHDL中特定的配置接口，LEON核的關鍵參數(例如修改Cache的大小和組織方式，乘法器的生成，速度、芯片面積的調整以及容錯方案的選擇)都能夠靈活設置和移植;而唯一使用專用技術的模型是內存宏模塊。這一部分的設計采用了加上中間交互層接口的方式，因此移植的工作僅需重新編寫中間交互層接口。導航系統中包括單次濾波在內的大量算法經過硬件實現后需集成在LEON中，根據LEON特定的配置接口即可實現集成和SoC系統移植。在本硬件平臺的設計中，針對特定硬件開發板，通過修改頂層module文件設置以及更新引腳配置，即可完成硬件設計的移植工作。

1.2 LEON在SoC芯片開發應用中的優勢

LEON軟核最突出的優勢是其良好的可配置性和可移植性，以及遵循GPL許可證協議的開源性。這些特性保證導航系統SoC芯片的安全性，提供良好的性能和靈活的解決方案，也決定了在LEON上進行嵌入式操作系統移植的特殊性。

目前，LEON在研究領域被廣泛應用，特別是作為軟核嵌入在可編程器件中，作為構建SoC芯片的控制和運算中心。LEON軟核的容錯版本也已經用在了空間站上。在本導航系統SoC芯片項目中，選擇了開源且配置靈活的LEON硬件平臺和Linux軟件平臺，并且在初期測試中表現出良好的性能。在本驗證平臺上，SoC系統需要以太網接口、1553總線接口、串口、通用I/O口以及調試單元，具體配置方案如圖3所示。