基于硬件分层级的可扩展硬件平台及扩展方法与流程

1.本发明属于电路设计的技术领域，涉及一种硬件平台，特别是涉及一种基于硬件分层级的可扩展硬件平台及扩展方法。


背景技术：

2.随着半导体工艺的飞速发展，asic/soc(application specific integrated circuit，专用芯片/system-on-a-chip，片上系统)等数字芯片不断向超大规模的方向发展，动辄上亿、数十亿计的门级电路层出不穷，且往更高集成度、高成本以及高风险等方向发展。因此对于硅前验证提出了更高的要求，由于目前基于uvm(universal verification methodology，通用验证方法学)的软件仿真有其自身的局限性，例如过分依赖于验证人员的经验，测试用例全面性以及可实现性，都对系统级的验证提出了更高的要求，因此基于硬件加速的仿真器则显得越来越重要。对于硬件平台，无论是基于asic的还是基于fpga(field-programmable gate array，现场可编程门阵列)的硬件平台，随着半导体门数的飞速发展，对于硬件平台的可靠性，集成度以及易用性，尤其是可扩展性也提出了更高的要求。
3.目前，在传统的硬件平台中，特别是在大规模需求的硬件平台中，大部分是采用单板上集成控制器和多块业务单元的形式，这种形式由于一块电路板上集成多块大型芯片，其pcb(printed circuit board，印刷电路板)的设计会比较复杂，通常需要花费数月的时间进行布局布线，其层数一般会在40层以上，功耗高，电源设计复杂，而且emi(electromagnetic interference，电磁干扰)风险较高等，而且对于单板回板调试也会非常复杂，整个研发过程会花费大量的研发和测试时间和资源。虽然在传统形式下，由于使用一块板卡，因此可以获取较好的互连特性。然而当产品发布后，客户在使用产品的过程中，如果其中一块主芯片发生问题，整个硬件板卡就需要全部更换返修，甚至报废，对于产品售后以及用户体验都会产生很多不良的影响。
4.因此，如何提供一种基于硬件分层级的可扩展硬件平台及扩展方法，以解决现有技术无法提供一种模块化且可灵活配置的可扩展硬件平台等缺陷，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于硬件分层级的可扩展硬件平台及扩展方法，用于解决现有技术无法提供一种模块化且可灵活配置的可扩展硬件平台的问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种基于硬件分层级的可扩展硬件平台，所述基于硬件分层级的可扩展硬件平台包括：业务模块，包括与不同业务对应的业务单元；控制模块，包括不同层级的控制器，与所述业务单元连接的控制器为一级控制器，与所述一级控制器连接的控制器为二级控制器；其中，所述业务单元与所连接的一级控
制器组成一个单一功能模块，所述一级控制器为所连接的业务单元提供运行业务所需的用户时钟、系统总线以及管理接口，所述二级控制器为所连接的一级控制器提供一级用户时钟、一级系统总线以及一级管理接口。
7.于本发明的一实施例中，所述控制模块还包括三级控制器和四级控制器；所述二级控制器控制4个所述一级控制器，所述三级控制器控制8个所述二级控制器，所述四级控制器控制4个所述三级控制器。
8.于本发明的一实施例中，根据芯片设计规模的不同需求，由所述控制模块中配置与需求适合的对应级别的控制器作为最高级别控制器。
9.于本发明的一实施例中，所述需求为客户逻辑电路设计的逻辑门规模要求；当设备满配置时，按照所述逻辑门规模要求，使用二级控制器作为最高级别控制器，且使用所述设备4个所述业务单元以及与4个所述业务单元连接的4个一级控制器；将逻辑代码转换为二进制镜像文件，上位机将所述二进制镜像文件发送至所述二级控制器，所述二级控制器将所述二进制镜像文件发送至所述一级控制器，由所述一级控制器将所述二进制镜像文件加载至所述业务单元中，使4个所述业务单元组成一个完成的芯片的设计。
10.于本发明的一实施例中，所述二级控制器所在的控制板卡与所述一级控制器所在的板卡通过fmc或ht3连接器互连。
11.于本发明的一实施例中，所述业务模块和所述控制模块通过高速serdes和/或低速的lvds接口连接。
12.为实现上述目的及其他相关目的，本发明另一方面提供一种基于硬件分层级的硬件扩展方法，所述基于硬件分层级的硬件扩展方法应用于基于硬件分层级的可扩展硬件平台中，所述基于硬件分层级的可扩展硬件平台包括业务模块和控制模块；所述业务模块包括与不同业务对应的业务单元；所述控制模块包括不同层级的控制器，与所述业务单元连接的控制器为一级控制器，与所述一级控制器连接的控制器为二级控制器；所述基于硬件分层级的硬件扩展方法包括：将所述业务单元与所连接的一级控制器组成一个单一功能模块；通过所述一级控制器为所连接的业务单元提供运行业务所需的用户时钟、系统总线以及管理接口；通过所述二级控制器为所连接的一级控制器提供一级用户时钟、一级系统总线以及一级管理接口。
13.于本发明的一实施例中，响应于设备故障，由各个所述业务单元和各级控制器中定位故障位置；所述故障位置包括某一业务单元或某一控制器；根据所述故障位置，单独更换发生故障的业务单元或发生故障的控制器所在的控制板卡。
14.于本发明的一实施例中，所述设备故障的类型包括各个所述业务单元的主芯片损坏、电源或时钟损坏以及电路功能异常或各级控制器中的主芯片损坏、电源或时钟损坏以及电路功能异常。
15.于本发明的一实施例中，响应于设备升级，确定待升级的业务单元；单独对所确定的待升级的业务单元进行升级。
16.如上所述，本发明所述的基于硬件分层级的可扩展硬件平台及扩展方法，具有以下有益效果：
17.与传统的硬件平台相比，采用传统的硬件平台业务升级时需要将全部的硬件平台推到，然后重新设计整个硬件平台，费时费力。并且有系统集中失败的风险。本发明将控制
模块与业务模块分离，两者通过高速serdes和/或低速的lvds接口等特定的接口互连，因此可单独对两者进行各自的升级与修改，而不会影响整个系统的运行。
18.一方面，当系统有升级需求时，由于其本身的控制逻辑不会发生变化。其性能以及规模的提升主要依赖于业务单元的改进，因此整个硬件系统的设计只需要更新单一的业务模块即可，整个升级硬件设计简单，速度快，且软件层面也无需更新，待业务单元板卡设计完毕，与原来的控制模块集成后，就可以完成整个系统的升级换代。与传统方式相比，采用本设计的硬件平台会更快的产品迭代，更快的投向市场，更快获取市场收益。
19.另一方面，当产品销售后，客户处如果硬件单一业务板卡出现问题，销售人员进行对其故障业务板卡进行更换即可，甚至在缺少故障业务模块的情况下，其他业务模块也可正常工作。无论对售后的维护成本，用户体验都有着明显的优势。
附图说明
20.图1显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的结构原理图。
21.图2显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的分级控制原理图。
22.图3显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的一级控制原理图。
23.图4显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的二级控制原理图。
24.图5显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的三级控制原理图。
25.图6显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的四级控制原理图。
26.图7显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的基本功能示意图。
27.图8显示为本发明的基于硬件分层级的硬件扩展方法于一实施例中的原理流程图。
28.元件标号说明
[0029]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
基于硬件分层级的可扩展硬件平台
[0030]
11
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业务模块
[0031]
12
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控制模块
[0032]
s11～s13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
步骤
具体实施方式
[0033]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施
例中的特征可以相互组合。
[0034]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0035]
由于其高速互连设计技术以及高速连接器的飞速发展，现在采用专业的高速链路设计与仿真技术以及高速性能优异的高速连接器技术，其采用模块堆叠灵活配置的方式成为现实。进而，本发明所述的基于硬件分层级的可扩展硬件平台及扩展方法可以将控制模块与业务模块分离，两者通过特定的接口互连，可以单独对两者进行各自的升级与修改，而不会影响整个系统的运行。
[0036]
以下将结合图1至图8详细阐述本实施例的一种基于硬件分层级的可扩展硬件平台及扩展方法的原理及实施方式，使本领域技术人员不需要创造性劳动即可理解本实施例的基于硬件分层级的可扩展硬件平台及扩展方法。
[0037]
首先将结合图示对本实施例所提供的基于硬件分层级的可扩展硬件平台进行详细描述。需要说明的是，应理解以下系统的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现，也可以全部以硬件的形式实现，还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如：某一模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在下述系统的某一个芯片中实现。此外，某一模块也可以以程序代码的形式存储于下述系统的存储器中，由下述系统的某一个处理元件调用并执行以下某一模块的功能。其它模块的实现与之类似。这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以下各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
[0038]
以下这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)，一个或多个数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)，一个或者多个现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)等。当以下某个模块通过处理元件调用程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，如中央处理器(central processing unit，简称cpu)或其它可以调用程序代码的处理器。这些模块可以集成在一起，以片上系统(system-on-a-chip，简称soc)的形式实现。
[0039]
请参阅图1，显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的结构原理图。如图1所示，所述基于硬件分层级的可扩展硬件平台1包括：业务模块11和控制模块12。
[0040]
所述业务模块11包括与不同业务对应的业务单元。如图1中的业务单元a、业务单元b、业务单元c和业务单元d。
[0041]
所述控制模块12包括不同层级的控制器，与所述业务单元连接的控制器为一级控制器，与所述一级控制器连接的控制器为二级控制器。如图1中的一级控制器a与业务单元a连接，一级控制器b与业务单元b连接，一级控制器c与业务单元c连接，一级控制器d与业务
单元d连接。
[0042]
其中，所述业务单元与所连接的一级控制器组成一个单一功能模块，所述一级控制器为所连接的业务单元提供运行业务所需的用户时钟、系统总线以及管理接口，所述二级控制器为所连接的一级控制器提供一级用户时钟、一级系统总线以及一级管理接口。
[0043]
于一实施例中，所述控制模块还包括三级控制器和四级控制器；所述二级控制器控制4个所述一级控制器，所述三级控制器控制8个所述二级控制器，所述四级控制器控制4个所述三级控制器。
[0044]
于一实施例中，根据芯片设计规模的不同需求，由所述控制模块中配置与需求适合的对应级别的控制器作为最高级别控制器。
[0045]
于一实施例中，所述需求为客户逻辑电路设计的逻辑门规模要求。具体地，逻辑门规模要求是指满足用户rtl(resistances-transistors logic(circuit)，电阻晶体管逻辑电路)设计的逻辑门规模要求。
[0046]
当设备满配置时，按照所述逻辑门规模要求，使用二级控制器作为最高级别控制器，且使用所述设备4个所述业务单元以及与4个所述业务单元连接的4个一级控制器；将逻辑代码转换为二进制镜像文件，上位机将所述二进制镜像文件发送至所述二级控制器，所述二级控制器将所述二进制镜像文件发送至所述一级控制器，由所述一级控制器将所述二进制镜像文件加载至所述业务单元中，使4个所述业务单元组成一个完成的芯片的设计。
[0047]
于一实施例中，所述二级控制器所在的控制板卡与所述一级控制器所在的板卡通过fmc或ht3连接器互连。
[0048]
于一实施例中，所述业务模块和所述控制模块通过高速serdes和/或低速的lvds接口连接。
[0049]
请参阅图2，显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的分级控制原理图。如图2所示，根据不同门级规模的需求，本发明提出一种硬件分层级的高灵活性的可扩展硬件平台。在整个系统中，将控制模块和业务模块分开处理，其中业务部分采用最小单元业务模块可堆叠的方式，而控制部分采取分级控制的方式，将整个控制功能分级处理，整个系统分为一级控制器c1、二级控制器c4、三级控制器c32、四级控制器c128/c256等四级控制。
[0050]
请参阅图3，显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的一级控制原理图。如图3所示，最低层级的控制器即一级控制器c1应用于单业务单元的使用场景，一级控制器c1为单一的用户单元提供运行业务所需的用户时钟、系统总线以及其他用于功能调试等使用的接口等。
[0051]
请参阅图4，显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的二级控制原理图。如图4所示，二级控制器c4控制下级四个一级控制器c1，为其四个一级控制器c1提供运行业务所需的同步用户时钟，系统总线一级控制接口等。
[0052]
请参阅图5，显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的三级控制原理图。如图5所示，三级控制器c32控制下级八个二级控制器c4，同样为所有的二级控制器c4提供必需的用户时钟以及管理接口等。
[0053]
请参阅图6，显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的四级控制原理图。如图6所示，四级控制器c128/c256控制下级四个三级控制器c32，同样为
所有的三级控制器c32提供必需的用户时钟以及管理接口等。
[0054]
请参阅图7，显示为本发明的基于硬件分层级的可扩展硬件平台于一实施例中的基本功能示意图。如图7所示，于实际应用中，根据芯片设计规模不同需求，配置不同级别的控制器，以下以中小规模级别的芯片，一般以消费类电子为例，其中，手机soc、机顶盒soc为代表的应用，在产品售后服务中以及在产品升级换代时，本发明所带来的经济收益和时间收益明显优于传统模式。
[0055]
于实际应用中，某一产品以二级控制器c4作为该设备的总控制器，管理设备系统中4个一级控制器，并为四个业务单元提供业务需要的同源时钟源。四个业务单元与各自的一级控制器c1组成一个完整的单一功能模块，二级控制器c4所在的控制板卡与4个基本的业务单元板卡使用fmc连接器互连。系统中的4个业务功能模块既可以彼此独立，也可以相互组合组成不同规模的功能模组。
[0056]
如图7所示，系统中最基本的功能模块由一级控制器c1和基本业务单元u1组成，一级控制器c1为业务单元提供管理总线、用户时钟管理、调试总线等加载和管理接口，业务单元u1为系统最基本的业务单元，用户将其门级逻辑设计转换为二进制镜像文件等特殊文件，然后通过设备的二级控制器c4经过一级控制器c1后加载到业务单元u1中，然后业务单元u1通过外围电路以及软件的配置，完成对用户逻辑的验证与调试。
[0057]
以该设备满配置为例，用户的逻辑门数需要使用该设备全部4个功能单元，利用可实现逻辑代码转为镜像文件功能的编译工具，将用户的逻辑代码转换为二进制的database，即专用镜像文件，上位机通过二级控制器c4的pcie接口将该镜像文件分别加载4个不同的业务单元u1中，从而将这4个业务单元u1组成一个完成的芯片的设计。
[0058]
于实际应用中，在用户基于arm架构的soc的原型验证时，首先通过时钟转换以及ram(random access memory，随机存取存储器)转换工具将客户的rtl代码转换为fpga能够识别的diamante，然后编译成网表文件，继续通过自动分区工具将该网表按照设计资源的发小分割到数个fpga上(可以是2、3、4)，在完成自动分区之后，在通过布局布线工具最每个fpga完成布局布线，最终生成可执行的二进制文件。然后，本地调试工具将该二进制文件通过pcie端口烧写到对应的fpga中，然后配合该soc外围的子卡，完成uboot以及os的启动。该过程可用于rtl设计的验证，也可用于软件工程师在芯片流片之前做芯片驱动的开发等。
[0059]
由此，相较于传统一块主控和多块业务单元同时在一块板卡上不同，产品采用模块化设计，控制单元与业务单元完全分开，同时业务模块也采用单元配置，即一块控制单元通过连接器连接多个单一的业务单元，这样就可以更新单一的业务模块，就能完成产品的升级。为无需修改设计复杂的大板卡。
[0060]
请参阅图8，显示为本发明的基于硬件分层级的硬件扩展方法于一实施例中的原理流程图。如图8所示，所述基于硬件分层级的硬件扩展方法应用于基于硬件分层级的可扩展硬件平台中，所述基于硬件分层级的可扩展硬件平台包括业务模块和控制模块；所述业务模块包括与不同业务对应的业务单元；所述控制模块包括不同层级的控制器，与所述业务单元连接的控制器为一级控制器，与所述一级控制器连接的控制器为二级控制器；所述基于硬件分层级的硬件扩展方法包括以下几个步骤：
[0061]
s11，将所述业务单元与所连接的一级控制器组成一个单一功能模块。
[0062]
s12，通过所述一级控制器为所连接的业务单元提供运行业务所需的用户时钟、系
统总线以及管理接口。
[0063]
s13，通过所述二级控制器为所连接的一级控制器提供一级用户时钟、一级系统总线以及一级管理接口。
[0064]
于一实施例中，本发明的基于硬件分层级的硬件扩展方法中故障处理的步骤包括：
[0065]
(1)响应于设备故障，由各个所述业务单元和各级控制器中定位故障位置；所述故障位置包括某一业务单元或某一控制器。
[0066]
(2)根据所述故障位置，单独更换发生故障的业务单元或发生故障的控制器所在的控制板卡。
[0067]
如果设备在用户处发生故障，首先通过设备的管理系统定位故障位置，如果是控制器发生故障，则只需要更换控制器所在的控制板卡即可，其余业务单元则无需更换。如果是业务单元发生故障，则仅需更换发生故障的业务单元即可，其他业务单元和控制器板卡无需更换，同时，在业务板卡更换之前，其余业务板卡仍然可以工作，满足用户基本的运行需求。在传统模式下，无论是控制器还是业务单元发生故障，整个板卡就需要返修甚至报废，从而造成售后维护效率极大降低以及极差的用户体验，从成本上来说，也产生了巨大的浪费。
[0068]
于实际应用中，在4个fpga组成的系统中，一块主控制器加4块业务单元的板卡(即4个fpga单元)，如果有一块业务单元出现故障，拆掉故障板卡，在更换板卡到之前，可以暂时使用三块业务单元的配置进行验证工作。而不像传统的设计，所有的业务单元都在一张板卡上，一个单元出现故障，比如严重短路等损坏电路板的情况，那么整个板卡必须更换，无法使用。
[0069]
于一实施例中，所述设备故障的类型包括各个所述业务单元的主芯片损坏、电源或时钟损坏以及电路功能异常或各级控制器中的主芯片损坏、电源或时钟损坏以及电路功能异常。
[0070]
于一实施例中，本发明的基于硬件分层级的硬件扩展方法中故障处理的步骤包括：
[0071]
(1)响应于设备升级，确定待升级的业务单元。
[0072]
具体地，设备主芯片升级会带来性能以及可靠性方面的修改。
[0073]
(2)单独对所确定的待升级的业务单元进行升级。
[0074]
如果设备需要升级，传统模式下，由于控制器与4个业务单元都在用一块板卡上，因此升级换代时必须重新设计该印刷电路板(pcb)。而在本发明中，由于控制器没有发生任何变化，因此仅需要重新设计业务板卡即可，将传统模式与本发明的方法从成本以及时间上进行比较管理，形成表1的设备升级比对表。
[0075]
表1设备升级比对表
[0076][0077]
由表1可以得出结论，本发明无论从设计时间还是从产品成本上都有着比较大的优势，一方面以较低的成本完成产品的更新换代，另一方面，也是更重要的是，可以以更快的速度将新一代的产品投向市场，获取较竞争对手的技术上、性能上的领先，获取更大的经济效益和市场影响力。
[0078]
本发明所述的基于硬件分层级的硬件扩展方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。
[0079]
本发明所述的基于硬件分层级的可扩展硬件平台的原理与所述的基于硬件分层级的硬件扩展方法一一对应，本发明所述的基于硬件分层级的可扩展硬件平台可以实现本发明所述的基于硬件分层级的硬件扩展方法，但本发明所述的基于硬件分层级的硬件扩展方法的实现装置包括但不限于本实施例列举的基于硬件分层级的可扩展硬件平台的结构，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本发明的保护范围内。
[0080]
综上所述，本发明所述基于硬件分层级的可扩展硬件平台及扩展方法本发明将控制模块与业务模块分离，两者通过特定的接口互连，因此可单独对两者进行各自的升级与修改，而不会影响整个系统的运行。一方面，当系统有升级需求时，由于其本身的控制逻辑不会发生变化。其性能以及规模的提升主要依赖于业务单元的改进，因此整个硬件系统的设计只需要更新单一的业务模块即可。另一方面，当产品销售后，客户处如果硬件单一业务板卡出现问题，销售人员进行对其故障业务板卡进行更换即可，甚至在缺少故障业务模块的情况下，其他业务模块也可正常工作。本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
[0081]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。