SystemC的语言结构简介

时间:2021-11-05 12:21:04

SystemC是解决系统级设计挑战的设计工具。1999年的11月,世界最主要的EDA工具开发商、IP供应商、半导体厂家、系统和嵌入式软件公司宣布推出了Open SystemC InitiativeOSCI),同时提供了一个C++建模平台、即SystemC

SystemC是由一组C++类库所组成的建模平台,加入了一个仿真核,可以在系统级、行为描述级和寄存器转换级支持硬件建模。C/C++编程语言被系统结构硬件工程师和软件工程师广泛应用,但这些语言却不能够准确描述硬件建模的概念。SystemC提供了一种用扩展的C++来加入硬件建模结构的方法和途径。

SystemC基于C++语言,C++语言是比较流行的计算机语言之一,这对系统设计师和软件工程师来讲是比较熟悉的语言。SystemC既是一个C++类库,又是一种设计方法,可以用来有效地创建软件精确算法、硬件结构模型,以及SOC与系统级设计的接口,可以在各个抽象层次上对系统和硬件建模。软件算法和接口规范用C或者C++语言写成,C++程序描述了系统的行为,提供了紧凑、有效的系统描述所必需的控制和调用数据。由于大多数设计者对于这些语言都很熟悉,并且有很大数量的开发工作都与之相关联,因而可利用资源比较丰富。

C++是一种基于对象的编程语言,这使得可以通过“类”来扩展语言,而不需要增加新的语法结构。SystemC提供了这些必要的“类”,并且允许设计者继续使用所熟悉的C++语言及其开发工具。

SystemC语言的发展到当前大致经历了两个阶段:SystemC1.0SystemC2.0HDL语言类似,SystemC1.0可以用来进行硬件描述。2001SystemC2.0的推出使SystemC成为真正的系统级设计语言,能够用来对SoC体系结构进行更加自然和有效的描述。这样就使SystemC语言涵盖了从系统概念直到实现的针对系统软,硬件建模的能力。发布SystemC2.0语言的一个主要目的是使用户可以在(相对于RTL)更高的层次对SoC系统进行描述。SystemC2.0引入了新的特性、概念以支持更方便、有效地对系统进行建模,包括channelinterfaceevent等。HDL语言的RTL模型很适合于对一个特定的硬件模型进行建模,但通常很难高效率的对构成整个SoC的各模块之间的通讯,同步机制进行描述。所以Transaction Level(交易级)的建模思想被引入到了SoC设计流程之中。

SystemC的基本类库有四种:模块(Module)、进程(Process),端口/信号(Port/Signal)和数据类型(Data Types)。其中模块(Module)SystemC中最基本的结构单元,其内可以包含端口、信号、进程或子模块。在设计过程中可以把一个复杂的系统划分成若干简单的子模块,进行结构化设计。它可以隐含内部的操作,仅通过端口和外部进行通信连接。

进程(Process)有三类:Method Process, Thread ProcessClocked Thread Process强调一下,这里的进程和操作系统中的进程不是同一概念,这里进程是SystemC中的基本执行单元,它用来模拟目标设备或系统的行为。其中Method Process类似模块中的成员函数,体现模块的功能特性。当有事件(信号值发生变化)发生时,Method Process开始执行,一直到操作完,操作期间不能被挂起或无限循环运行:Thread ProcessMethod Proces:的主要区别在于进程执行过程中可以被挂起和再次被激活,直到运行完毕。Clocked Thread ProcesThread Process的一个子集,主要对时序电路和同步操作进行描述,它在时钟边沿触发时开始运行。端口/信号(Port/Signal)类主要负责模块间的相互连接和通信。其中端口有输入、输出和双向输入/输出3种类型。数据类型(Data Types)继承了C++中的所有数据类型,同时为描述硬件的物理信息扩展了时间、延时和逻辑等物理数据类型。

SystemC的体系构架如图2-1所示,有如下的特征:

1)  所有的SystemC都是基于C++的。

2)  上层的构架都是很明显地建立在下层构架的基础之上的。

3)  SystemC内核提供了一个用于系统体系结构、并行、通信和同步时钟的模块(SC_MODULE)。

4)  完全支持内核描述以外的数据类型、用户定义数据类型。

5)  通常使用的通信方式,如信号、FIFO等都可以在内核的基础上建立,经常使用的计算模块也可以在内核基础上建立。

6)  如果需要,较低层的内容可以不依赖上层而直接使用。

2-1 SystemC 语言结构图

 

SystemC 中,硬件模块的引脚是通过端口类对象来进行描述的,而连线则用到了信号类,进程则是用来描述硬件模块的并发性的结构。利用 SystemC 描述硬件系统的过程如下:

1 定义模块结构,利用 SystemC 的模块类来描述一个模块;

2 定义引脚,利用端口类定义特定模块的引脚,例如时钟引脚,数据引脚等。

3 定义进程,模块的功能描述主要是通过进程来实现,在 SystemC 中进程具有并发性。还需要说明的是进程的执行需要一定的触发条件,如可以通过引脚值的改变来触发进程。

4 通过上面的三个步骤基本上完成了对一个硬件模块的描述,接下来需要实例化模块,模块实际上是一个类,实例化的过程在 SystemC 的主函数中进行,在主函数中需要定义一些信号对象,这些信号对象用于连接系统中各个模块的引脚,接着创建各个模块的对象,把对象中对应的引脚与前面定义的信号对象相连接,信号对象和引脚都有数据类型,例如可以在程序中定义整型,布尔型等数据类型的信号或引脚对象。只有相同数据类型的引脚和信号才能进行连接。通过上面的四个步骤就可以完成一个系统的设计,后面的工作就是仿真运行和验证整个系统的正确性。

在系统开发初期,可以用UML对系统需求和架构进行分析和描述,算法部分可以使用MatlabSPWCCSS等进行分析,然后利用SystemC进行交易级别建模,划分系统软硬件,对目标系统进行比较详细的划分,然后再利用SystemC完成后续流程。