基于AMBA架構(gòu)的SoC系統(tǒng)事務(wù)級建模

　　1.引言

　　隨著集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，VLSI 已經(jīng)進(jìn)入了SoC(System-on-Chip )片上系統(tǒng)時代。對于復(fù)雜的片上系統(tǒng)而言，系統(tǒng)驗(yàn)證占整個設(shè)計時間的60%-70%，其中涉及到軟件與硬件的協(xié)同工作等等。傳統(tǒng)的系統(tǒng)驗(yàn)證在RTL 級進(jìn)行，RTL 提供更精確接近實(shí)現(xiàn)的同時，也加長了驗(yàn)證時間以及此時發(fā)現(xiàn)問題再修改帶來的成本增加，所以非常有必要地在盡可能早地進(jìn)行有效的系統(tǒng)驗(yàn)證。

　　SystemC 作為一種系統(tǒng)描述語言應(yīng)運(yùn)而生，它支持從系統(tǒng)級到門級的描述，解決了傳統(tǒng)片上系統(tǒng)設(shè)計方法中不同級別使用不同描述語言帶來的過渡問題，而其事務(wù)級(TransacTIon-Level，TL)建模仿真方法可以在早期有效地進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，同時速度較RTL 級仿真更快。

　　目前，事務(wù)級建模得到廣泛的使用和認(rèn)同，Synopsys 公司現(xiàn)已提供關(guān)于AMBA 架構(gòu)的事務(wù)級模型，以供進(jìn)行由AMBA 架構(gòu)組成的SoC 系統(tǒng)的事務(wù)級建模仿真所用。

　　2.SystemC 事務(wù)級建模

　　SystemC 由C++衍生而來，在C++基礎(chǔ)上添加硬件擴(kuò)展庫和仿真庫構(gòu)成，從而使SystemC 可以建模不同抽象級別的包括軟件和硬件的復(fù)雜電子系統(tǒng)，既可以描述純功能模型和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，也可以描述軟硬件的具體實(shí)現(xiàn)。

　　在使用SystemC 進(jìn)行高層次建模時，引出一個新的概念——TLM(Transaction-Level Model )事務(wù)級模型，該建模方法創(chuàng)建一可執(zhí)行平臺模型，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，但其不僅僅是功能級描述，仿真也具有一定時序。

　　事務(wù)級模型建模因不考慮很多底層細(xì)節(jié)，所以進(jìn)行建模時間短，并且可以將重點(diǎn)放在如何通信，而不是通信在更底層如何實(shí)現(xiàn);事務(wù)級建模可以使用事件驅(qū)動，由一事件可以驅(qū)動一系列行為，因此建?？梢栽谠缙谶M(jìn)行。所以，SystemC 事務(wù)級模型具有建模效率高和仿真速度快的優(yōu)點(diǎn)。另外，SystemC 事務(wù)級建模作為高層次建模方法，還具有如下特點(diǎn)：

　　–模型之間依靠時鐘和(動態(tài))事件同步;

　　–模型內(nèi)部是周期精確的;

　　–模塊pin 沒有明確進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)，但可通過適配器外部實(shí)現(xiàn);

　　–模塊之間通過端口(port)和層次化通道(hierarchy channel )進(jìn)行通信。

　　上述特點(diǎn)描述中，端口(port)和層次化通道(hierarchy channel )概念為SystemC 事務(wù)級建模引入的新概念：

　　. 接口(inteRFace)：定義一組方法來實(shí)現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)，但不實(shí)現(xiàn)這些方法;

　　. 通道(channel)： 實(shí)現(xiàn)接口定義的方法;根據(jù)通道內(nèi)部所實(shí)現(xiàn)方法的情況，又分為基本 通道和層次化通道;基本通道中沒有可見的結(jié)構(gòu)，不包括進(jìn)程，也不能直接訪問其他的基本通道;層次化通道則包括模塊、進(jìn)程等，可以直接訪問其他的通道;

　　. 端口(port)：總是與一定的接口類型相關(guān)聯(lián)，端口也只能連接到實(shí)現(xiàn)了該類接口的通道上，通過端口模塊和進(jìn)程來訪問通道內(nèi)定義的接口方法; 通過接口又引出接口方法調(diào)用(interface-method-call，IMC) 的概念，是指一個進(jìn)程通過端口調(diào)用通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)的接口方法。方法在接口中定義，在通道內(nèi)實(shí)現(xiàn)，但在進(jìn)程內(nèi)執(zhí)行?；谝陨细拍睿岢鲆环N事務(wù)級建模思想：

　?、僭O(shè)備若僅作為被訪問者，如存儲器、FIFO 等，那么只需要定義接口，以備被訪問，實(shí)現(xiàn)接口方法，此設(shè)備作為基本通道存在;

　?、谠O(shè)備若僅作為訪問者，如CPU，那么只需要定義端口，來訪問其他設(shè)備;

　　③設(shè)備若既可作為訪問者和被訪問者，如總線，那么它就需要同時定義端口和接口，同時也要實(shí)現(xiàn)接口，這也就是層次化通道，接口用來被訪問，端口用來發(fā)起訪問。

　　對于SoC 設(shè)計而言，事務(wù)級建模屬于架構(gòu)型設(shè)計。在架構(gòu)的事務(wù)級建模中，模塊在共享的通信通道(如總線)彼此進(jìn)行交易。同時在進(jìn)行系統(tǒng)的SystemC 事務(wù)級建模中，可以有效地對軟件部分進(jìn)行描述，結(jié)合其進(jìn)行協(xié)同仿真。所以，對所設(shè)計的系統(tǒng)使用事務(wù)級模型進(jìn)行仿真時，不僅系統(tǒng)架構(gòu)可以找到系統(tǒng)級的瓶頸并能有效解決，而且軟件開發(fā)者也可以評估軟件的運(yùn)行吞吐量，同時也可以研究在系統(tǒng)背景下軟件和硬件模型之間的交互。

　　3.CoCentric System Studio(CCSS)內(nèi)事務(wù)級建模仿真

　　CCSS 是Synopsys 公司提供的一SystemC 仿真平臺，支持使用完全事務(wù)級模型進(jìn)行設(shè)計、分析、調(diào)試驗(yàn)證SoC 架構(gòu)。

　　事務(wù)級仿真中，對于源代碼的調(diào)試，CCSS 內(nèi)嵌調(diào)試軟件DDD。使用事務(wù)級模型組建系統(tǒng)，在編譯之后的系統(tǒng)仿真中，當(dāng)系統(tǒng)工作運(yùn)行到將要調(diào)試的特定模塊部分，則可以將該模塊部分調(diào)入DDD，進(jìn)行普通設(shè)置斷點(diǎn)的調(diào)試，顯示該模塊的執(zhí)行情況以及對系統(tǒng)的影響。對于系統(tǒng)中整體特定模塊而言，可以在實(shí)例上設(shè)置斷點(diǎn)、在連線上設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)控點(diǎn)(data watch point)、在端口和參數(shù)上設(shè)置層次監(jiān)控點(diǎn)(level watch point)。仿真進(jìn)行時，仿真控制面板上的Level Watch 中，可以改變參數(shù)值，以得出不同參數(shù)值的仿真情況。若觀察波形，則可以調(diào)入Virsim 波形仿真軟件。

　　此外，對于整個系統(tǒng)的事務(wù)級仿真，更需要一些直接明確的數(shù)據(jù)來對系統(tǒng)性能進(jìn)行評估，例如需要知道系統(tǒng)中發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)目，某一時刻系統(tǒng)的狀態(tài)、發(fā)生的事件等等。CCSS 提供的監(jiān)控器(monitor )可以解決這一問題。

　　對于監(jiān)控系統(tǒng)仿真情況，CCSS 提供了3 種類型的監(jiān)控器，分別為表格、消息以及數(shù)據(jù)類型。程序中設(shè)置此三種監(jiān)控器，對期望的系統(tǒng)行為進(jìn)行監(jiān)控，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)帶來的性能改變也可以清晰顯示。根據(jù)記錄結(jié)果，觀察系統(tǒng)弱點(diǎn)，以此為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)系統(tǒng)。

　　圖1 總結(jié)出系統(tǒng)的TLM 建立及仿真流程，TLM 建模思想見部分2 中描述，在整個系統(tǒng)仿真、修改過程中，驗(yàn)證平臺(testbench )保持不變從而減少工作量，同時系統(tǒng)修改前后的性能也有更好的可比性。

　　4.具體實(shí)例

　　這部分給出一例子，結(jié)合數(shù)據(jù)來說明由TLM 組建的系統(tǒng)在CCSS 中進(jìn)行仿真的方法及特點(diǎn)。如圖2 所示一簡單IP 路由系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單路由尋址，分析數(shù)據(jù)屬于本地地址還是其他地址。該系統(tǒng)有四個主設(shè)備：DMA 控制器、路由分析(Router)、本地輸出(Local)、其他輸出(Forward)模塊，兩個從設(shè)備：存儲器(Memory)、仲裁(Arbiter)模塊。

　　遵循部分2 中所敘述思想對系統(tǒng)中模塊進(jìn)行事務(wù)級建模。

　　IP 數(shù)據(jù)包產(chǎn)生(IP Packet Generator )模塊這里為testbench，IP 數(shù)據(jù)包分析(IP Packet Parser)模塊分析接收來的IP 包，然后送入DMA 控制器，DMA 控制器再將數(shù)據(jù)送入存儲器中，路由分析模塊進(jìn)行路由分析，本地輸出模塊為本地地址端口輸出、其他輸出模塊為其他地址端口輸出。

　　初步系統(tǒng)設(shè)計，對于Router 模塊，考慮使用軟件或者硬件實(shí)現(xiàn)，具體根據(jù)系統(tǒng)性能結(jié)果決定。

　　探測系統(tǒng)性能，在此主要分析IP 包丟失率。鑒于存儲器的大小直接關(guān)系整個系統(tǒng)的成本，同時系統(tǒng)的路由延遲(latency )關(guān)系到系統(tǒng)性能?？梢酝瑫r考慮該兩項(xiàng)對IP 包的丟失的影響。對于使用硬件實(shí)現(xiàn)Router 模塊，路由延遲范圍值在1-40 時間單位之間;而使用軟件實(shí)現(xiàn)范圍值則在3000-7000 時間單位之間。

　　整個系統(tǒng)中使用三種類型的監(jiān)控器進(jìn)行驗(yàn)證系統(tǒng)行為，在IP Packet Parser 模塊內(nèi)考察IP 包丟失情況，分析存儲器大小和系統(tǒng)延遲帶來的影響。改變存儲器大小和延遲大小，根據(jù)IP Packet Parser 模塊內(nèi)監(jiān)控器記錄得出結(jié)果。如圖3 所示。

　　結(jié)合圖3，可以看出，當(dāng)存儲器容量一定時，延遲越大，系統(tǒng)性能也就越差，也就是說，這種情況下，系統(tǒng)為了達(dá)到較好的性能，就需要使用硬件實(shí)現(xiàn)Router 模塊。使用軟件實(shí)現(xiàn)Router 模塊雖然可以降低成本，但是帶來的是系統(tǒng)性能的降低;提高存儲器容量可以對此進(jìn)行補(bǔ)償，但是同時也增加了一定的成本。所以需要同時考慮兩方面的因素，進(jìn)行折衷選擇。

　　另外一方面，在延遲latency = 1 時，即使用硬件實(shí)現(xiàn)路由分析模塊時，系統(tǒng)在存儲器容量大于20K 以后，性能幾乎沒有提高，這時，考慮到到系統(tǒng)瓶頸，重點(diǎn)將不放在延遲及存儲器大小，而轉(zhuǎn)為分析系統(tǒng)架構(gòu)的原因。

　　5.結(jié)論

　　SystemC 語言中TLM 具有建模效率高、仿真速度快的特點(diǎn)，本文結(jié)合其特點(diǎn)給出了一種建模思想。CoCentric System Studio(CCSS )支持完全的TLM 仿真，并且支持各種調(diào)試，可以明確分析系統(tǒng)性能，給出仿真流程。結(jié)合例子來說明在CCSS 內(nèi)進(jìn)行TL 建模組建系統(tǒng)并仿真，可以得出對系統(tǒng)改進(jìn)的指導(dǎo)結(jié)果。