硬件與軟件接口如何與CPU交互

硬件／軟件接口（簡(jiǎn)稱為＂HSI＂）是一個(gè)術(shù)語，用來描述SoC外圍設(shè)備的配置和功能，以及它們?nèi)绾闻cCPU交互。

從寄存器位到訪問類型、屬性和功能的各種因素的數(shù)量，在現(xiàn)代SoC中可能是絕對(duì)令人吃驚的。 例如，如果有一個(gè)32位地址總線，可以訪問2 ＾ 32內(nèi)存映射寄存器。如果每個(gè)寄存器本身都有32位寬，那么寄存器位的總數(shù)就會(huì)變成（32 ＊ 2 ＾ 32）或2 ＾ 37，或137，438，953，472！但是如果地址總線是64位呢？ 如果 SoC 中有多 cpu 核心怎么辦？ 很明顯，典型的 SoC 體系結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的。

不可否認(rèn)的是，目前的行業(yè)趨勢(shì)只會(huì)導(dǎo)致更先進(jìn)的SoC，其外圍設(shè)備的數(shù)量將比以往任何時(shí)候都多。 為了理解這一切，更不用說管理它，它將要求我們完全重新思考HSI。 無論已經(jīng)走了多遠(yuǎn)，還是要去向何方地方，都是如此。

HSI的今天

在任何特定的時(shí)刻，都會(huì)遇到各種各樣的因素。 多個(gè)處理器，包括周圍有大量可編程的外設(shè)。所有的東西都通過片上網(wǎng)絡(luò)連接在一起。 這個(gè)列表還在繼續(xù)。

在現(xiàn)代 CPU 的背景下，HSI 和指令集架構(gòu)（ISA）基本上是一樣的。 這是軟件對(duì)硬件進(jìn)行＂會(huì)話＂的層。 中央處理器可以是 ARM，RISC－V ——這并不重要，因?yàn)檫@個(gè)過程保持不變。 為想要的目標(biāo)編寫一個(gè)C或 C＋＋ 程序，編譯它，然后放到 CPU 上。 這就是如何與寄存器和外部總線進(jìn)行交互的方式，以及I／O。

在實(shí)際的 SoC 方面，還必須處理相互連接的fabric，這是連接CPU和各種可編程從設(shè)備的紐帶。 這些從設(shè)備可能有他們自己的存儲(chǔ)，或者甚至可以是一個(gè)低速總線，這取決于具體的情況對(duì)嵌入式寄存器的讀寫來編程。 當(dāng)從這種類型的宏觀視角來看事物時(shí)，寄存器和中斷是IP的HSI。

圖1 CPU／IP HSI

雖然迄今為止，這種做法一直運(yùn)作良好，但也很難說它給任何項(xiàng)目帶來了一些重大的挑戰(zhàn)。在最近的一項(xiàng)研究中，仔細(xì)研究了芯片功能缺陷的根源，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤是主要原因。 規(guī)格的變化和規(guī)格的不正確或不完整也是其中的一個(gè)方面。 所有這些問題的嚴(yán)重程度和它們的普遍性一樣，而且它們都有相同的共同點(diǎn)： 超過50％的問題屬于這三個(gè)類別中的任何一個(gè)，直接回到了 HSI 層面。

舉個(gè)例子，以收銀機(jī)為例， 總是要記住面對(duì)的是各種各樣的不同類型。 UART、鎖、中斷、 FIFO 和分頁都只是眾多例子中的一小部分。 像間接寄存器和觸發(fā)緩沖寄存器這樣的復(fù)雜寄存器都有其潛在的并發(fā)癥，寄存器組或內(nèi)存數(shù)組也是顯然不同的。

僅僅基于這一點(diǎn)，就很容易看出為什么所有問題中有一半以上可以直接與硬件／軟件接口聯(lián)系起來。 同樣復(fù)雜的是，許多公司都有自己獨(dú)特的針對(duì) SoC 的挑戰(zhàn)和要求。

人們很容易對(duì)這個(gè)消息采取悲觀的態(tài)度，并把它看作是可怕的事情。 但這也是值得慶祝的事情，這意味著如果花時(shí)間修復(fù) HSI 層，也可以修復(fù)芯片功能缺陷。

需要靈活而創(chuàng)新的未來

當(dāng)想到各種各樣的 HSI 信息消費(fèi)者時(shí)，這個(gè)列表可能比人們意識(shí)到的要長(zhǎng)得多。 除了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、固件和硬件驗(yàn)證等因素外，還需要考慮技術(shù)文檔、診斷、應(yīng)用軟件、硬件設(shè)計(jì)等等。 對(duì)基礎(chǔ)規(guī)范的一個(gè)改變需要在所有這些領(lǐng)域進(jìn)行重大轉(zhuǎn)變，這就是為什么找到一個(gè)解決方案，讓這些變化自動(dòng)滲透到所有相關(guān)的視圖中。

IDesignSpec （IDS）只是眾多例子之一，在解決所有這些問題方面取得了重大進(jìn)展。 這些類型的解決方案通常與各種不同的輸出相兼容，這取決于您的需求，包括但不限于像 Verilog／VHDL，c Model，UVM 等等。它們通?？梢詮呐幚恚ㄏ胂螅?命令行）到 Word 和 Excel，到開源的選項(xiàng)，比如 Open Office。

現(xiàn)在可以生成一個(gè)單一的基于 uvm 的寄存器模型，該模型涵蓋所有的核查元素，以及更多地騰出寶貴的時(shí)間，讓實(shí)際員工專注于更重要的事情。

最后，可以使用一個(gè)單一的工具來創(chuàng)建測(cè)試序列和環(huán)境，創(chuàng)建正式屬性和斷言，從規(guī)范中創(chuàng)建 UVM 序列和固件例程，并幫助實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的 HSI 層規(guī)范，該規(guī)范以一種一直存在的方式平等地為所有各方服務(wù)。

這一切都超越了簡(jiǎn)單的自動(dòng)化。 它代表了硬件和軟件作為概念朝著下一個(gè)進(jìn)化方向邁出的重要一步。下一代的HSI解決方案已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，它們不僅有助于解決＂老派＂做事方式中存在的絕大多數(shù)挑戰(zhàn)，而且對(duì)于能想到的幾乎每一個(gè)強(qiáng)大到不容忽視的行業(yè)都存在一些重大影響。

功能安全

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)揮重要作用的許多領(lǐng)域之一與功能安全和 ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。 例如，汽車工程師需要確保他們的設(shè)計(jì)沒有單一的故障點(diǎn)，他們堅(jiān)持這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 ECC－CRC 和奇偶校驗(yàn)，或者其他技術(shù)，如三模冗余（或 TMR）。

對(duì)于某些用于安全目的的應(yīng)用程序來說，HSI 也具有重要的歷史意義。 你可以看到很多情況下，內(nèi)存映射是用一個(gè)關(guān)鍵序列鎖定的，在這個(gè)序列中，必須用特定的值將一系列寫入某個(gè)地址，以使?fàn)顟B(tài)機(jī)能夠通過解鎖整個(gè)內(nèi)存映射所需的進(jìn)程。

最后，醫(yī)療是一個(gè)硬件／軟件接口非常重要的領(lǐng)域，因?yàn)樽袷啬承┮髮?duì)于任務(wù)至關(guān)重要。 此外，他們也都把他們自己獨(dú)特的要求放在 HSI 層本身上，影響了如何實(shí)現(xiàn)某些因素以及未來的情況。

不幸的是，正如 HSI 在理論上一樣重要，在執(zhí)行過程中，它在很大程度上處于最糟糕的停滯狀態(tài)。 這就像以前一樣重要，但是有些挑戰(zhàn)是絕對(duì)阻礙創(chuàng)新的，而不是推動(dòng)創(chuàng)新向前發(fā)展。

在最后

毫無疑問，在處理復(fù)雜的硬件 ／ 軟件界面時(shí)，存在著許多挑戰(zhàn)。 然而，通常情況下，也存在著大量的機(jī)會(huì)。這一領(lǐng)域的進(jìn)步，IDesignSpec 只是眾多例子中的一個(gè)，使得人們有可能改變他們對(duì)于 HSI 的看法變得更好

硬件 ／ 軟件接口背后的想法確實(shí)有很長(zhǎng)的路要走，而且他們還有很長(zhǎng)的路要走。 但與此同時(shí)，好東西是值得為之奮斗的，因?yàn)椋⒄_的方法＂幾乎保證了整體生產(chǎn)力的顯著提高。 ＂錯(cuò)誤的方法＂保證丟失大量的周期調(diào)試等問題，這意味著它根本不是一個(gè)真正的選擇。