前言

1965年，摩爾在文章中指出，芯片中的晶體管和電阻的數量每年將會翻一番，原因是工程師可以不斷縮小晶體管的體積。這被稱為摩爾定律，它意味著半導體的性能與容量將以指數級增長，并且這種增長趨勢將延續下去。1975年，摩爾又修正了摩爾定律，他認為，每隔24個月，晶體管的數量將翻一番。這篇文章發表的時候，芯片上的元件大約只有60種，而現在，英特爾最新的Itanium芯片上有17億個硅晶體管。歷史證明了摩爾定律的正確性。目前，主流集成電路設計已經達到0.18μm～0.13μm，高端設計已經進入90nm和45nm，Altera公司在2008年5月推出了40nm的FPGA芯片，芯片集成度達到108～109數量級。根據ITRS（International Technology Roadmap for Semiconductor）公布的預測結果，2010年將實現45nm，2013年將實現32nm，2016年將實現22nm量產。

片上系統的最初概念是將包括存儲器、信號采集和轉換電路、CPU核等模擬、數字和混合電路構成的一個完整的電子系統集成到一個芯片上。單處理器片上系統，如S3C2410、AT9200之類的芯片早已為大家所熟悉，而越來越多的片上系統正在配備多個處理器，我們已經從第一代的單核片上系統時代進入多核片上系統時代。多核片上系統時代有幾個主要特征，分別為單個芯片內常常嵌入多個處理器；片內總線日趨復雜并逐漸被片上網絡代替；更多的IP被復用；電子系統級設計和驗證方法、低功耗設計、可制造性設計和可測性設計越來越重要。

芯片設計的復雜度在增加，而設計語言和設計方法學也在不斷發展。歷史上使用最廣泛的硬件描述語言為VHDL和Verilog，它們最初分別由Open Verilog International和VHDL International兩個組織維護和發展。這兩個組織于2000年合并成立了Accellera組織，并發展了SystemVerilog語言。SystemVerilog集成了VHDL和Verilog各自的優點，并擴展了面向對象的功能，使它們支持抽象數據類型，從而具有系統描述能力。

SystemVerilog的基本語法仍然是Verilog，因此也被稱為Verilog 3.0版本（Verilog 2001為2.0版本）。由于SystemVerilog在驗證、RTL設計和系統描述方面的突出優勢，人們將SystemVerilog稱為系統設計和驗證語言。硬件描述語言的另外一個重要發展是SystemC，該語言由OSCI組織進行維護和發展。SystemC本質上是一個C++擴展庫，它使得C++支持硬件描述。SystemC在Synopsys等一批大公司的支持下得到了很大的發展，現在已經成為很多EDA工具除VHDL和SystemVerilog/Verilog之外的第三種支持語言。由于其開放性等特點，已經得到全世界工程師的歡迎和認可，許多大公司都推出了SystemC的開發工具。SystemC的最突出優勢是系統描述和驗證，它使得現代SoC的最初驗證軟件可以輕松地移植到最終產品上，而不像SystemVerilog那樣必須完全重寫。SystemC被人們稱為系統級設計語言。

雖然SystemC與SystemVerilog同時支持RTL設計和系統驗證，業界普遍認為SystemC與SystemVerilog剛好構成互補的關系。SystemVerilog的優勢在于簡潔明了、高效的RTL描述能力，而SystemC的優勢在于其系統級描述能力。軟件工程師通常都是C++高手，驗證平臺中的SystemC軟件代碼可以輕松地被他們移植到最終產品上。目前，SystemVerilog已經成為IEEE P1800-2005標準，而SystemC成為IEEE P1666標準，SystemC和SystemVerilog已經成為仿真器和綜合器廣泛支持的語言。SystemC和SystemVerilog相結合，提供了當今芯片設計和驗證所需的一套從ESL至RTL設計流程的標準解決方案。通過將SystemC和SystemVerilog結合到一個單一的驗證環境中，可以高效地建立和驗證分析體系結構所需要的事務處理級虛擬原型，并在設計工作的早期開發內嵌的軟件，并最終導致現代片上系統設計效率的大幅度提高。

片上系統是一個完整的系統，包括多個子模塊，許多子模塊是SoC必備模塊。整個SoC的設計和這些子模塊的設計已經逐漸形成了明確的設計思想和方法。在本書中，將片上系統中最常見的模塊組織起來構成一個完整的SoC，該SoC被命名為DemoSoC。本書以DemoSoC為例，講述片上系統的設計思想和最新的設計方法學。

筆者將DemoSoC進行了完善的FPGA驗證，所使用的驗證板來源于http://www.socstart.cn，部分演示應用穿插在在本書的各個章節中，更多更新的演示應用可以從http://www.socstart.cn找到。DemoSoC的部分源代碼，包括32位的OpenRISC處理器（測試數據表明該處理器的性能在同頻率的ARM7到ARM9之間）、PCI Host、USB Host+Device等來自于http://www.opencores.org，讀者可以根據GPL版權規定進行自由商用，其他代碼都是作者自己完成的，讀者可自由用于學習和學術用途，但如果希望商用，請通過email通知本書作者：chenxi01@ict.ac.cn。

陳曦

二〇〇八年三月一日于中科院計算所