深入探討基于SYSTEM C的FPGA設(shè)計

一、概述

隨著VLSI的集成度越來越高，設(shè)計也越趨復雜。一個系統(tǒng)的設(shè)計往往不僅需要硬件設(shè)計人員的參與，也需要有軟件設(shè)計人員的參與。軟件設(shè)計人員與硬件設(shè)計人員之間的相互協(xié)調(diào)就變的格外重要，它直接關(guān)系到工作的效率以及整個系統(tǒng)設(shè)計的成敗。傳統(tǒng)的設(shè)計方法沒有使軟件設(shè)計工作與硬件設(shè)計工作協(xié)調(diào)一致，而是將兩者的工作割裂開來。軟件算法的設(shè)計人員在系統(tǒng)設(shè)計后期不能為硬件設(shè)計人員的設(shè)計提供任何的幫助。同時現(xiàn)在有些大規(guī)模集成電路設(shè)計中往往帶有DSP Core或其它CPU Core。這些都使得單純地用原理圖或硬件描述語言來設(shè)計、仿真這么復雜的系統(tǒng)變得十分困難。SYSTEM C就是在這些矛盾的背景下提出的。它的出現(xiàn)為復雜的系統(tǒng)設(shè)計提供了一條有效的解決途徑。 System C 是由 Synospy Inc. 提出的，目前最新的版本為V2.0。它提出的目的就是以一種系統(tǒng)設(shè)計的思想進行系統(tǒng)設(shè)計。它將軟件算法與硬件實現(xiàn)很好的結(jié)合在一起，提高了整個系統(tǒng)設(shè)計的效率和正確性。

System C 是一個C++ 庫，也是一種使設(shè)計者可以有效地設(shè)計出一個軟件算法的準確循環(huán)模型，硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)級設(shè)計的方法。設(shè)計者可以用System C開發(fā)工具或在標準C++開發(fā)工具中加如System C庫制作系統(tǒng)級模型，快速地仿真和優(yōu)化設(shè)計，以及研究不同的算法，并且為硬件和軟件設(shè)計人員提供一個設(shè)計系統(tǒng)的可執(zhí)行規(guī)范?？蓤?zhí)行規(guī)范本質(zhì)上是一個C++程序，它顯示了和設(shè)計系統(tǒng)同樣的性能，為軟件設(shè)計人員和硬件設(shè)計人員提供了一個設(shè)計的標準。

System C 庫提供了創(chuàng)造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的必須結(jié)構(gòu)，包括那些在C++沒有的功能如硬件時序，并行和觸發(fā)功能。C++這種面對象語言提供了通過增加類來擴展語言的能力，而這種能力是C語言所不具備的。因此，System C使用大家熟悉的C++語言和開發(fā)工具。

二、SYSTEM C的特點

System C 支持對硬件和軟件的聯(lián)合設(shè)計，支持描述一個既包含硬件部分也包含軟件部分的復雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它也支持對接口的描述，有以下幾個顯著的特點：

1．System C可以為軟件設(shè)計人員和硬件設(shè)計人員提供一個系統(tǒng)的可執(zhí)行規(guī)范。設(shè)計人員使用該可執(zhí)行規(guī)范可以避免設(shè)計中矛盾和錯誤的產(chǎn)生，并確保設(shè)計的完備性。這是應為在設(shè)計可執(zhí)行規(guī)范時，系統(tǒng)設(shè)計者必須設(shè)計出也一個和系統(tǒng)具有同樣工作狀態(tài)的程序，通過這個程序可以發(fā)掘出潛在的矛盾和錯誤，并將這些矛盾和錯誤消除在整個設(shè)計的開始階段，而不是在整個系統(tǒng)進行調(diào)試階段才發(fā)現(xiàn)和解決這些矛盾和錯誤。這個程序還可以幫助設(shè)計者確保整個系統(tǒng)設(shè)計的完備性。

2．設(shè)計人員利用這個可執(zhí)行的系統(tǒng)規(guī)范，還可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計中概念模糊的地方。無論什么時候，設(shè)計人員對設(shè)計產(chǎn)生疑惑，就可以運行這個可執(zhí)行程序以明確在這個問題上系統(tǒng)設(shè)計人員是如何處理的，從而確保系統(tǒng)設(shè)計的正確性。而現(xiàn)在的設(shè)計方法不能使設(shè)計人員方便迅速的解決這些疑惑。甚至這些疑惑是系統(tǒng)設(shè)計人員也不曾考慮過，這可能導致系統(tǒng)要重新進行設(shè)計。

3．在系統(tǒng)設(shè)計被實現(xiàn)以前，設(shè)計人員還可以通過用System C設(shè)計的系統(tǒng)可執(zhí)行規(guī)范來驗證整個系統(tǒng)設(shè)計。這樣可以避免由于在系統(tǒng)設(shè)計上的失誤，而使系統(tǒng)實現(xiàn)不能達到要求。現(xiàn)在的設(shè)計方法不能提供這樣的手段在設(shè)計完成前進行系統(tǒng)的驗證，對系統(tǒng)的驗證必須是在系統(tǒng)設(shè)計完后。即使在完成前進行驗證，由于不能完全模擬實際系統(tǒng)的工作，其結(jié)果也只能作為一種參考。

4．System C設(shè)計的可執(zhí)行規(guī)范所使用的TESTBENCH文件可以通過小范圍的修改或直接用在實現(xiàn)后的系統(tǒng)仿真。這就為設(shè)計實現(xiàn)人員帶來很大的好處，他們不必花很多的時間去編寫用來驗證實現(xiàn)后系統(tǒng)正確性的TESTBENCH文件。而現(xiàn)在采用的設(shè)計方法所使用的TESTBENCH文件卻沒有提供這樣的便利條件。這是應為軟件設(shè)計人員和硬件設(shè)計人員兩者的設(shè)計思想和設(shè)計手段都是不同的，一個軟件設(shè)計人員所使用的TESTBENCH文件并不能被硬件設(shè)計人員使用，甚至不能給硬件設(shè)計人員任何幫助。

三、SYSTEM C設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計比較

現(xiàn)在的系統(tǒng)設(shè)計一般是由系統(tǒng)工程師用C語言或C++語言設(shè)計出一個系統(tǒng)模型，并在系統(tǒng)級層次上檢驗概念和算法。當這些概念和算法被檢驗為正確無誤時，C/C++模塊被分解為功能相對獨立的子模塊。這些相對對立的子模塊由硬件設(shè)計人員手工地轉(zhuǎn)化為VHDL或Verilog語言用以硬件實現(xiàn)。

1．人工將CC++程序轉(zhuǎn)換為HDL程序容易產(chǎn)生錯誤。在現(xiàn)在的這種設(shè)計方法中，系統(tǒng)工程師先按期望的設(shè)計要求設(shè)計出一個C模塊，并驗證這個模塊使其達到期望的設(shè)計要求。然后系統(tǒng)工程師所設(shè)計的C模塊被硬件設(shè)計人員手工轉(zhuǎn)換為HDL模塊。這個轉(zhuǎn)換過程不僅容易產(chǎn)生錯誤，而且還很浪費時間。這是因為CC++語言和HDL語言有著顯著的區(qū)別。首先，HDL的處理方式比CC++的復雜。CC++程序采用順序執(zhí)行的處理方式，而HDL程序中既有順序執(zhí)行也有并行執(zhí)行的處理方式。要將CC++程序轉(zhuǎn)化為HDL程序必然要引入一些控制信號，由這些信號控制

HDL程序的運行，但這樣也容易產(chǎn)生錯誤。其次，CC++語言不涉及到時序關(guān)系。由于CC++語言不支持對時序的描述，系統(tǒng)工程師設(shè)計的系統(tǒng)模型只是驗證了概念和算法，而只能對時間耗費上有一個大概的估計。這就使得硬件實現(xiàn)時，為滿足系統(tǒng)在時間上的要求，硬件設(shè)計人員必須對軟件算法進行一定的改造或優(yōu)化。而這些改造或優(yōu)化也有可能引入各種錯誤。

2．系統(tǒng)模塊和HDL模塊間缺乏聯(lián)系。當系統(tǒng)模塊被轉(zhuǎn)換為HDL模塊后，HDL模塊成為整個系統(tǒng)設(shè)計的焦點。為適應硬件實現(xiàn)的特點，硬件設(shè)計人員會更改系統(tǒng)設(shè)計人員的設(shè)計，但這種更改只是在HDL模塊中進行，而系統(tǒng)設(shè)計人員設(shè)計的C模塊并沒有因此更改。這就使得系統(tǒng)工程師設(shè)計的C模塊和當前硬件設(shè)計人員設(shè)計的HDL模塊缺乏必要的聯(lián)系。當硬件設(shè)計人員遇到概念模糊或理解錯誤的地方時，往往不能馬上從C模塊中得到明確的解答。此時，C模塊的設(shè)計人員也不一定能為HDL設(shè)計人員提供有效的幫助。

3．多系統(tǒng)測試。不但C模塊要轉(zhuǎn)換為HDL模塊，對C模塊的測試也要人工轉(zhuǎn)換為在HDL環(huán)境下的測試。這種轉(zhuǎn)換也很復雜，而且浪費時間。HDL設(shè)計人員是根據(jù)他所設(shè)計的HDL模塊和系統(tǒng)要求來設(shè)計TESTBENCH，這使得硬件設(shè)計人員不可能利用軟件設(shè)計人員所使用的測試文件。同時，HDL人員要設(shè)計出一個好的TESTBENCH也需要比較長的時間。為解決在現(xiàn)在設(shè)計流程中所帶來的種種弊端，一種全新的設(shè)計流程被提出，這就是System C設(shè)計流程。它能很好的解決上面所提到的各種設(shè)計弊端，大大提高設(shè)計效率。圖2是System C的硬件設(shè)計流程。

圖2

這種設(shè)計方法與現(xiàn)在常用的設(shè)計方法相比有很多優(yōu)點：

1．精煉的設(shè)計方法。使用System C設(shè)計系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計人員不必花費很大的精力將整個系統(tǒng)設(shè)計由C語言描述轉(zhuǎn)換為HDL描述。系統(tǒng)設(shè)計人員可以通過在C模塊中很小的區(qū)域范圍內(nèi)加入必要的硬件和時序結(jié)構(gòu)描述，從而將C模塊方便準確地轉(zhuǎn)化為一個有效的硬件設(shè)計，而避免將另行設(shè)計一個硬件模塊。利用System C設(shè)計方法，設(shè)計人員可以很輕松地實現(xiàn)一個設(shè)計的更改，或在優(yōu)化算法時檢測出一些設(shè)計錯誤并及時修改。

2．單一語言書寫。使用System C設(shè)計系統(tǒng)，整個設(shè)計都用一種語言設(shè)計系統(tǒng)，降低了對設(shè)計人員的要求，減少了語言轉(zhuǎn)換時所造成的錯誤。這一優(yōu)點也使得設(shè)計人員可以在一個比較高的層次上進行系統(tǒng)模塊設(shè)計。在較高層次的設(shè)計會導致產(chǎn)生小的設(shè)計代碼，使設(shè)計和仿真的速度比傳統(tǒng)的設(shè)計方法要快很多。這一點是很顯著的。

四、SYSTEM C基本概念

1．模塊

模塊是System C設(shè)計中的基本設(shè)計單元。模塊可以使得設(shè)計者將一個復雜的系統(tǒng)分割為一些更小但易于管理的部分。System C模塊的功能和作用與HDL語言中的模塊是相類似的，這使得一位習慣于用HDL進行設(shè)計的設(shè)計人員可以很容易的轉(zhuǎn)向用System C進行設(shè)計。

模塊在System C中的關(guān)鍵字為SC_MODULE。緊跟著關(guān)鍵字后的是模塊的名稱，如SC_MODULE(fifo)，這就定義了一個叫fifo的模塊。定義的模塊也可以像HDL語言一樣包含端口、信號、其它模塊、處理過程和結(jié)構(gòu)體，這些單元實現(xiàn)用以實現(xiàn)模塊的功能。通過端口可以將幾個模塊連接起來。

模塊被保存為.h文件。如果在一個模塊中調(diào)用其它模塊，只需像C++中引入庫一樣將要調(diào)用的模塊作為一個庫引入即可。

2．過程

模塊中的處理過程（process）類似于C語言中的子程序，與C語言中的子程序不同的的是它具有HDL語言中的觸發(fā)功能。處理過程（process）的具體工作部分被保存為.cpp文件。處理過程的調(diào)用類似于在C語言中子程序的調(diào)用。根據(jù)不同的要求，SystemC中有三種處理過程。

●

Methods : SC_METHOD() ● Threads : SC_THREAD()

● Clock Threads : SC_CTHREAD()

SC_METHOD是用來描述組合邏輯，它由輸入信號的變化觸發(fā)，但不能在兩次調(diào)用中保存控制狀態(tài)。并且在SC_METHOD中不能包含無限循環(huán)。由于組合邏輯有可能導致毛刺的產(chǎn)生，從而影響系統(tǒng)性能，所以SC_METHOD不易太復雜。 下面是一個簡單的SC_METHOD例子：

SC_MODULE(example) {

sc_in din;

sc_out dout;//端口

void inverter();//處理過程聲明

SC_CTOR(example) {

SC_METHOD(inverter);

sensitive(din);//處理過程由輸入變化觸發(fā)

}

};

處理過程inverter如下：

void example::inverter() {

bool internal;

internal = din;//輸入數(shù)據(jù)取反后由輸出端口輸出

dout = ～internal;

}

SC_THREAD是最常用的處理過程，基本上可以用在任何地方。它是由輸入信號的變化觸發(fā)，但與SC_METHOD不同的是它可以在兩次調(diào)用這保存控制狀態(tài)。它的功能類似于積存器的功能。SC_THREAD中可以包含有wait()函數(shù)，這使得處理過程可以被掛起。

SC_CTHREAD是SC_THREAD的一種

特殊情況。SC_CTHREAD能產(chǎn)生更好的綜合效果。SC_CTHREAD中可以使用wait()函數(shù)。在不同的狀態(tài)間加入wait()函數(shù)，設(shè)計人員可以用SC_CTHREAD來實現(xiàn)狀態(tài)機。這種設(shè)計風格是簡便的而且容易理解。SC_CTHREAD只能由時鐘信號沿觸發(fā)，而SC_THREAD可以由其它非時鐘信號觸發(fā)。如果在時鐘上跳邊觸發(fā)，可以使用pos()函數(shù)，反之用neg()。

為進一步說明SC_CTHREAD，下面給出了一個SC_CTHREAD的例子。

SC_MODULE(example) {

sc_in_clk clock;//輸入時鐘

sc_in trigger, din;

sc_out dout;

void invert();

SC_CTOR(example) {

SC_CTHREAD(toggler, clock.pos());//時鐘上升沿觸發(fā)

}

}

void example::invert() {

bool last = false;

for (;;) {

wait_until(trigger.delayed() == true);//等到下個時鐘上升沿 //且trigger=1再執(zhí)行

last = din; dout = last; wait();

last =～din; dout = last;wait();//下個上升沿才更改數(shù)據(jù)

}

}

3．端口與信號

與HDL語言相似，使用SYSTEM C庫就可以在C程序中加入端口和信號。這些原先C語言中沒有的功能，使設(shè)計更復合硬件設(shè)計的要求。 模塊與模塊之間是通過端口信號加一聯(lián)系。只要兩個端口被連接在一起，信號就可以在它們之間進行傳遞。對于這一點習慣用HDL進行設(shè)計的設(shè)計人員是很容易理解和接受的，因為這和HDL中端口的功能是一樣的。 信號只是在一個模塊的內(nèi)部使用，這也是和HDL中信號的用法是一致的。 下面給出端口和信號聲明的例子。

sc_in<“類型”> din// 輸入端口din

sc_out<“類型”> dout// 輸出端口dout

sc_inout<“類型”> q// 輸入輸出端口q

sc_signal i[16]; //創(chuàng)建一個具有16比特的邏輯型信號i

4．數(shù)據(jù)類型

考慮到硬件設(shè)計的要求，System C中也加入了一些硬件設(shè)計中常用的數(shù)據(jù)類型。具體如下：

sc_int 有符號整數(shù)類型，最大有64個比特位。

sc_uint 無符號整數(shù)類型，最大有64個比特位。

sc_bigint 有符號整數(shù)類型，任意比特位，其最大比特位定義在

sc_constants.h中。

sc_biguint 無符

號整數(shù)類型，任意比特位，其最大比特位定義在

sc_constants.h中。

sc_bit 二值數(shù)據(jù)，單比特位。

sc_logic 四值數(shù)據(jù)，單比特位。

sc_bv 二值數(shù)據(jù)，任意比特位。

sc_lv 四值數(shù)據(jù)，任意比特位。

sc_fixed 參數(shù)固定的有符號定點數(shù)。

sc_ufixed 參數(shù)固定的無符號定點數(shù)。

sc_fix 參數(shù)不固定的有符號定點數(shù)。

sc_ufix 參數(shù)不固定的無符號定點數(shù)。

User defined structs 用戶自定義結(jié)構(gòu)

以上是一些System C的基本概念。

五、結(jié)論

System C是一種很有效的設(shè)計方法，它不僅可以幫助設(shè)計人員完成一個復雜的系統(tǒng)設(shè)計，還可以避免傳統(tǒng)設(shè)計中的各種弊端，并提高設(shè)計人員的工作效率。它的這些優(yōu)點使System C在復雜的系統(tǒng)設(shè)計中大有作為。并且習慣用HDL的設(shè)計人員，可以很容易地轉(zhuǎn)到用System C設(shè)計。