STMicroelectronics成像部門(mén)負(fù)責(zé)向消費(fèi)者、工業(yè)、安全和汽車(chē)市場(chǎng)提供創(chuàng)新的成像技術(shù)和產(chǎn)品。該團(tuán)隊(duì)精心制定了一套通過(guò)模板實(shí)現(xiàn)的High-Level Synthesis（HLS）高層次綜合流程，使得上述產(chǎn)品能夠迅速上市。對(duì)于汽車(chē)市場(chǎng)，該流程符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)，因此能確保可靠性。

ISP是處理圖像傳感器數(shù)據(jù)的硬件和軟件組合。ISP可能非常復(fù)雜，因此該團(tuán)隊(duì)使用了可復(fù)用的IP模塊來(lái)組裝設(shè)計(jì)。圖1顯示了一個(gè)示例ISP方框圖。

圖1中的ISP顯示了主要ISP功能，并沿著數(shù)據(jù)通路說(shuō)明了各自所需的諸多處理算法。

圖1.用于汽車(chē)應(yīng)用的復(fù)雜高質(zhì)量ISP

了解HLS工具歷史

成像部門(mén)于2007年開(kāi)始對(duì)多媒體IP（編碼器、解碼器、顯示器和ISP功能）運(yùn)用HLS設(shè)計(jì)流程，最初使用的是西門(mén)子數(shù)字化工業(yè)軟件競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手提供的工具。當(dāng)該工具在2015年停止服務(wù)后，該團(tuán)隊(duì)對(duì)不同供應(yīng)商提供的各種HLS工具進(jìn)行了評(píng)估。他們將若干ISP設(shè)計(jì)用作測(cè)試案例，然后監(jiān)測(cè)其所生成的RTL的面積和功耗結(jié)果。在此評(píng)估基礎(chǔ)上，Catapult High-Level Synthesis平臺(tái)因?yàn)楸憩F(xiàn)優(yōu)異而被該團(tuán)隊(duì)選中。

借助Catapult HLS平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員便能利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ANSI C++和SystemC來(lái)描述功能意圖，并將其提高到生產(chǎn)率更高的抽象層次。根據(jù)這些高層次的描述，Catapult即可生成產(chǎn)品級(jí)的RTL。通過(guò)加快RTL生成時(shí)間以及自動(dòng)生成無(wú)錯(cuò)誤的RTL，Catapult可顯著縮短RTL驗(yàn)證所需的時(shí)間。Catapult的功耗優(yōu)化功能可自動(dòng)大幅降低動(dòng)態(tài)功耗。高度交互的工作流程可提供對(duì)綜合過(guò)程的完全可見(jiàn)性和控制，使設(shè)計(jì)人員能夠在功耗、性能和面積等方面迅速收斂到理想實(shí)現(xiàn)方案（圖2）。

圖2.快速探索架構(gòu)以求得理想功耗和面積

創(chuàng)建成像IP模板

該團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，ISP是一系列的級(jí)聯(lián)濾波器，這些濾波器具有相似的結(jié)構(gòu)和接口。他們的想法是利用C++模板開(kāi)發(fā)一個(gè)參數(shù)化濾波器庫(kù)，然后將其復(fù)用于每個(gè)ISP設(shè)計(jì)中。這種方法具有如下優(yōu)勢(shì)：

◎ 設(shè)計(jì)效率：復(fù)用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的模板可以更快地構(gòu)建ISP

◎ 更新：能夠輕松將更新應(yīng)用到每個(gè)IP模塊，而且可以在一天內(nèi)將算法更改整合完畢

◎ 集中精力：設(shè)計(jì)人員可以將時(shí)間花在增量算法開(kāi)發(fā)上，而不必在通用結(jié)構(gòu)上耗費(fèi)心力

◎ 資源：團(tuán)隊(duì)可以為項(xiàng)目開(kāi)發(fā)更多的IP模塊，且無(wú)需增加額外的員工

每個(gè)參數(shù)化模板都是一個(gè)C++類(lèi)（圖3），其可實(shí)現(xiàn)如下方面功能：

◎ 內(nèi)存管理

◎ 協(xié)議橋

◎ 像素管理內(nèi)核

◎ 連接到驗(yàn)證平臺(tái)

圖3.設(shè)計(jì)人員可專(zhuān)注于算法，而不是基礎(chǔ)架構(gòu)

設(shè)計(jì)人員可覆寫(xiě)filterFunction以提供算法代碼，然后再通過(guò)覆寫(xiě)execute函數(shù)將其連接到濾波器。

利用這一模板流程，該團(tuán)隊(duì)在過(guò)去兩年間創(chuàng)建了50多個(gè)設(shè)計(jì)，規(guī)模從1萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)到200萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)不等。

驗(yàn) 證 設(shè) 計(jì)

該團(tuán)隊(duì)使用UVM驗(yàn)證平臺(tái)來(lái)指定提供偽隨機(jī)驗(yàn)證及收集代碼和功能覆蓋率指標(biāo)的序列。該團(tuán)隊(duì)使用了相同的驗(yàn)證平臺(tái)（無(wú)需任何修改）來(lái)驗(yàn)證C++和生成的RTL設(shè)計(jì)。每個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)（圖4）會(huì)為每個(gè)項(xiàng)目建立相同的標(biāo)準(zhǔn)集，這樣一來(lái)，便可通過(guò)自動(dòng)設(shè)置驗(yàn)證環(huán)境來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。此標(biāo)準(zhǔn)集包括：

◎ 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的輸入和輸出接口

◎ 標(biāo)準(zhǔn)化寄存器配置接口

◎ 標(biāo)準(zhǔn)化高層次控制（啟用和重置設(shè)計(jì)）

◎ 標(biāo)準(zhǔn)化輸入和輸出數(shù)據(jù)格式

圖4.常見(jiàn)UVM驗(yàn)證平臺(tái)仿真C++（圖中所示）

或RTL被測(cè)設(shè)計(jì)

UVM驗(yàn)證平臺(tái)的常見(jiàn)元素包括操作被測(cè)設(shè)計(jì)（DUT）的測(cè)試和序列、約束和功能覆蓋率語(yǔ)句，以及多種檢查器和斷言。圖片和寄存器序列可操作DUT輸入。該團(tuán)隊(duì)使用功能模型對(duì)DUT進(jìn)行按位比較。

該團(tuán)隊(duì)對(duì)每個(gè)項(xiàng)目使用了相同的驗(yàn)證方法，因此可以確保獲得尚佳質(zhì)量的設(shè)計(jì)（圖5）。

圖5.驗(yàn)證流程

HLS驗(yàn)證流程的高層次步驟包括：

◎ 設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建一個(gè)功能模型，驗(yàn)證人員利用必要 的序列和約束建立UVM驗(yàn)證平臺(tái)。此階段的仿真能夠提供對(duì)整體環(huán)境的“正確性”檢查，因此可能會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

◎ 在一個(gè)項(xiàng)目中，HLS調(diào)試步驟消耗的時(shí)間最多。此時(shí)，需要運(yùn)行相關(guān)序列來(lái)調(diào)試問(wèn)題以及收集代碼和功能覆蓋率指標(biāo)。

◎ 藉由使用相同的UVM驗(yàn)證平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)可以對(duì) Catapult HLS生成的RTL進(jìn)行仿真。此時(shí)，團(tuán)隊(duì) 會(huì)針對(duì)C++設(shè)計(jì)中未建模的功能，例如輸入和輸出之間的延遲以及重置行為，添加一些特定RTL測(cè)試。在此步驟中，團(tuán)隊(duì)還會(huì)仿真HLS流程中未生成的任何RTL（如有）。此時(shí)，團(tuán)隊(duì)會(huì)從設(shè)計(jì)的頂層收集代碼和功能覆蓋率指標(biāo)。

符合ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)

許多ISP產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)均為汽車(chē)市場(chǎng)，這意味著團(tuán)隊(duì)必須遵循ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)。ISO 26262是一項(xiàng)針對(duì)重量在3500公斤及以下的公路車(chē)輛中的電氣和電子元器件功能安全的標(biāo)準(zhǔn)。團(tuán)隊(duì)需要確保HLS流程和設(shè)計(jì)穩(wěn)健性符合標(biāo)準(zhǔn)（圖6）。

圖6.HLS流程符合ISO 26262

該標(biāo)準(zhǔn)的其中一個(gè)關(guān)鍵要求是要確保器件沒(méi)有永久性故障（設(shè)計(jì)錯(cuò)誤）。也就是說(shuō)，團(tuán)隊(duì)必須確保開(kāi)發(fā)流程是“安全的”。要滿(mǎn)足這一標(biāo)準(zhǔn)，則必須應(yīng)用成熟的技術(shù)，執(zhí)行一系列測(cè)試，并收集衡量指標(biāo)報(bào)告。團(tuán)隊(duì)沒(méi)有對(duì)Catapult HLS平臺(tái)進(jìn)行 ISO 26262質(zhì)量鑒定。相反，他們對(duì)運(yùn)行測(cè)試的仿真器進(jìn)行了鑒定。雖然團(tuán)隊(duì)不要求在其流程中對(duì)Catapult HLS平臺(tái)進(jìn)行質(zhì)量鑒定，但實(shí)際上Siemens Safe計(jì)劃會(huì)提供該工具的ISO 26262質(zhì)量鑒定和相關(guān)文檔。

另一個(gè)主要要求是要確保設(shè)計(jì)能夠處理單個(gè)或瞬態(tài)故障，并能從中予以恢復(fù)。團(tuán)隊(duì)在ISP外圍使用邏輯BIST和Lockstep（鎖步）等外部安全機(jī)制來(lái)確保其穩(wěn)健性。

從HLS流程獲益

采用基于模板的HLS流程的主要優(yōu)勢(shì)在于，其可大幅減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，而又不會(huì)影響結(jié)果和設(shè)計(jì)質(zhì)量（表1）。使用該流程，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建設(shè)計(jì)的速度比手工編碼快了3倍左右，單個(gè)設(shè)計(jì)人員便可執(zhí)行驗(yàn)證，通常不需要單獨(dú)的驗(yàn)證人員資源。

表1. 一名設(shè)計(jì)人員和一名驗(yàn)證人員

花在ISP設(shè)計(jì)項(xiàng)目上的平均時(shí)間

開(kāi)發(fā)成本也將進(jìn)一步降低，原因如下：

◎ 使用C++進(jìn)行驗(yàn)證，以收集關(guān)鍵覆蓋率指標(biāo)，這意味著團(tuán)隊(duì)可以在幾分鐘內(nèi)運(yùn)行數(shù)以千計(jì)的測(cè)試，而不像RTL那樣需要幾個(gè)小時(shí)

◎ 與RTL相比，C++代碼的行數(shù)顯著減少，這意味著維護(hù)成本將會(huì)大幅降低

◎ 可以輕松適應(yīng)設(shè)計(jì)流程后期的規(guī)范變化，而不會(huì)影響設(shè)計(jì)進(jìn)度

◎ 短短幾天時(shí)間便可完成對(duì)10名設(shè)計(jì)人員的HLS流程培訓(xùn)，這意味著團(tuán)隊(duì)可以快速提高生產(chǎn)率

此外，Catapult HLS平臺(tái)具有自動(dòng)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能，因此可以進(jìn)一步降低HLS流程的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本：

◎ 自動(dòng)流水線(xiàn)：通過(guò)指令的簡(jiǎn)單改變提高流水線(xiàn)級(jí) 數(shù)，而C++代碼將保持不變。如果是手動(dòng)流水線(xiàn)，則需要大量的重新編碼和調(diào)試工作

◎ 自動(dòng)硬件共享：例如，要在一個(gè)流水線(xiàn)的不同狀態(tài)下重復(fù)使用一個(gè)乘法器來(lái)處理同一迭代的幾個(gè)操作，若通過(guò)手動(dòng)實(shí)現(xiàn)將非常困難

◎ 自動(dòng)功能時(shí)鐘門(mén)控：相比手動(dòng)編碼可節(jié)省大量時(shí)間，并能自動(dòng)降低功耗10%

◎ 該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，使用該工具生成的RTL結(jié)果的質(zhì)量非常出色，尤其是針對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)時(shí)。

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