利用基于SystemC/TLM的方法學(xué)進(jìn)行IP開(kāi)發(fā)和FPGA建模

隨著系統(tǒng)級(jí)芯片技術(shù)的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)規(guī)模正變得越來(lái)越大，因而變得非常復(fù)雜，同時(shí)上市時(shí)間也變得更加苛刻。通常RTL已經(jīng)不足以擔(dān)當(dāng)這一新的角色。上述這些因素正驅(qū)使設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)新的方法學(xué)，用于復(fù)雜IP(硬件和軟件)以及復(fù)雜系統(tǒng)的驗(yàn)證。ST公司建立了一個(gè)設(shè)計(jì)流，它從高級(jí)抽象開(kāi)始，易于將模型寫(xiě)入IP的精密周期或RTL模型中。當(dāng)轉(zhuǎn)入低級(jí)抽象時(shí)，建模變得復(fù)雜，故IP驗(yàn)證也復(fù)雜。我們的方案最適合于這種應(yīng)用場(chǎng)景，因?yàn)樗试S人們?cè)诟鞯叵嗨频沫h(huán)境中運(yùn)行相同的測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試場(chǎng)景，因而允許在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期里高效地復(fù)用所有的測(cè)試范例和環(huán)境。

在半導(dǎo)體領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的第一步就是以高級(jí)抽象開(kāi)發(fā)規(guī)范的模型，通常用C/C++來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里，SystemC和C++庫(kù)提供了很大幫助。它簡(jiǎn)化了共存的硬件和軟件設(shè)計(jì)的概念化。再加上實(shí)現(xiàn)事務(wù)級(jí)模型間對(duì)口連接的TLM傳送庫(kù)，SystemC加速了整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程。另一個(gè)重要方面是所有不同抽象架構(gòu)中經(jīng)過(guò)增強(qiáng)的可移植性。同一測(cè)試配置可以無(wú)縫地用于不同抽象級(jí)的設(shè)計(jì)。

本文將討論一種此類(lèi)的方法學(xué)。最終的目標(biāo)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)UWB MAC(媒體訪問(wèn)層)IP。出于架構(gòu)開(kāi)發(fā)的目的，決定用SystemC來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)IP。還開(kāi)發(fā)了抽象級(jí)具有不同程度變化的不同架構(gòu)。所付出的努力比較少，最后得到的仿真速度很快，軟件的實(shí)際編寫(xiě)也可以在設(shè)計(jì)周期非常早的階段開(kāi)始。該IP的RTL結(jié)果被移植到了SPEAr系列的FPGA中。除了ARM內(nèi)核和相應(yīng)的一系列IP，SPEAr還提供一個(gè)可配置邏輯塊，這為用戶在實(shí)現(xiàn)其邏輯功能時(shí)提供了無(wú)與倫比的靈活性。從而縮短了上市時(shí)間，同樣也實(shí)現(xiàn)了空前的成本節(jié)省。

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法學(xué)

圖1所示的該方法學(xué)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)的內(nèi)核中的事務(wù)級(jí)建模(TLM)。TLM是一種對(duì)數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模的高級(jí)方案，這里將模塊之間的具體通信與功能單元或通信架構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)分離開(kāi)。把總線或FIFO這類(lèi)通信機(jī)制模型化成信道，用SystemC接口類(lèi)將這些信道提供給模塊和部件。這些信道模型的信令接口功能將取代事務(wù)請(qǐng)求，這將減少具體的低級(jí)信息交換。

圖1：IP開(kāi)發(fā)方法學(xué)流程。

在事務(wù)級(jí)建模時(shí)，

* 更加注重?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的功能-即轉(zhuǎn)移的是什么數(shù)據(jù)，從那里來(lái)，到那里去

* 不太關(guān)注實(shí)際的實(shí)現(xiàn)-即不太關(guān)注數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移所用的實(shí)際協(xié)議

該方案使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的實(shí)驗(yàn)變得更加容易，例如，可以利用不同的總線架構(gòu)(所有都支持公共的抽象接口)，不一定需要對(duì)與任意總線進(jìn)行交互的模型進(jìn)行重新編碼，只要這些模型能夠通過(guò)公用接口與總線進(jìn)行交互即可。

在我們的方法中，起始點(diǎn)是對(duì)整個(gè)功能系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行建模。這是利用SystemC并通過(guò)sc fifo接口實(shí)現(xiàn)的。為了描述通信接口間的數(shù)據(jù)流，采用了各種架構(gòu)。這些架構(gòu)基本上都是協(xié)議需要遵守的參數(shù)和幀格式信息。圍繞IP創(chuàng)建了一個(gè)測(cè)試環(huán)境，環(huán)境中開(kāi)發(fā)了測(cè)試平臺(tái)，來(lái)傳輸分別來(lái)自兩側(cè)的輸入，即發(fā)送和接收。在這兩種范例中，利用這種配置產(chǎn)生了預(yù)期的結(jié)果或參考。在抽象層，與平臺(tái)一起使用來(lái)進(jìn)行修改，快速并有效地做試驗(yàn)時(shí)將變得很容易，不過(guò)精度會(huì)降低一些。

圖中所示為用于開(kāi)發(fā)中下一級(jí)輸入的配置平臺(tái)。這里的核心思想是確定系統(tǒng)的瓶頸并執(zhí)行軟硬件劃分。該方案在進(jìn)行軟硬件劃分方面是有效并安全的，因?yàn)槠脚_(tái)提供能夠用來(lái)識(shí)別出整個(gè)系統(tǒng)瓶頸的原始統(tǒng)計(jì)信息。該階段中，實(shí)現(xiàn)了IP的功能模型，使其具備了具體的接口，并嵌入了功能性。而在軟硬件劃分階段將對(duì)該方法學(xué)中所用的方案進(jìn)行具體化。附加到該平臺(tái)上的另一個(gè)是DMA-PL080的TLM模型，下一步是用MAC HW RTL替代整個(gè)MAC HW SystemC功能模型，如圖2所示。整個(gè)周邊環(huán)境是一樣的，因此測(cè)試注入與其他步驟中的注入一樣。與之前環(huán)境的變化是采用了負(fù)責(zé)到信號(hào)變換的事務(wù)處理適配器。由于該系統(tǒng)基于ARM，適配器的書(shū)寫(xiě)必須遵從信號(hào)級(jí)AHB總線接口。實(shí)際上，該平臺(tái)將相同的環(huán)境表征為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，不過(guò)與此同時(shí)，開(kāi)始面對(duì)仿真性能方面的問(wèn)題。顯然，我們還不能用該配置來(lái)執(zhí)行廣泛的調(diào)試/驗(yàn)證，不過(guò)可以運(yùn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試(具有較短的仿真時(shí)間)。

圖2：從SystemC MAC HW向VHDL RTL MAC HW適配器的轉(zhuǎn)換。

由于在當(dāng)前仿真環(huán)境中發(fā)現(xiàn)瓶頸，我們對(duì)基于硬件模擬XTREME服務(wù)器的平臺(tái)進(jìn)行評(píng)估，該平臺(tái)基本提供了硬件所需的FPGA塊，并提供了軟件與整個(gè)環(huán)境的無(wú)縫集成。基于XTREME服務(wù)器中早期平臺(tái)的移植只需要很少工作量，并且相對(duì)于基于ncsim的仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了5倍的仿真速度。很顯然，這使得我們能夠調(diào)試并執(zhí)行VHDL RTL設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，否則將會(huì)浪費(fèi)過(guò)多時(shí)間。同時(shí)，基于Xtreme服務(wù)器的平臺(tái)還提供了同等調(diào)試能力。

硬件/軟件劃分

系統(tǒng)中軟硬件劃分決策是最為重要的一個(gè)方面。之所以硬件/軟件劃分變得如此關(guān)鍵，是因?yàn)槿缦乱恍┮蛩?，如系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理需求，應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)限制以及其他因素。許多時(shí)候，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段一些決策依賴于直覺(jué)判斷或者先前的經(jīng)驗(yàn)。但當(dāng)某些事情發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)這將蘊(yùn)含一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度以及流片成本的增加，這種決策方法可能會(huì)鑄成大錯(cuò)。強(qiáng)調(diào)需要一種有助于實(shí)現(xiàn)更好軟硬件劃分決策的方法學(xué)具有許多原因。

在UWB MAC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)范例中，具有很多必須很好遵守的時(shí)間約束，這是因?yàn)閼?yīng)用層完全依賴于空中——即來(lái)自射頻天線的全局廣播定時(shí)。實(shí)現(xiàn)決策的方案建立在我們從具體的系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)的執(zhí)行中所獲取的經(jīng)驗(yàn)。我們能夠分析流水線數(shù)據(jù)通道中的數(shù)據(jù)流，能夠有效地發(fā)現(xiàn)它們是否將對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成任何瓶頸。通常，當(dāng)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)幀必須從MAC發(fā)送到PHY，而對(duì)于接收，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀則從PHY到MAC，并存入到存儲(chǔ)器中由軟件進(jìn)行進(jìn)一步的分析。在仿真場(chǎng)景分析過(guò)程中，能夠識(shí)別出是否需要在硬件中進(jìn)行一些協(xié)議解析以采取及時(shí)的措施。

圖3：系統(tǒng)中著重硬件支持需求的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖3中詳細(xì)給出了一個(gè)決策范例。根據(jù)協(xié)議的需求，接收數(shù)據(jù)中有一個(gè)控制包，它通知下次發(fā)送事件的通用定時(shí)，即何時(shí)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包?？紤]到MAC硬件是一個(gè)典型的數(shù)據(jù)通道，并將控制幀傳送到存儲(chǔ)器中，軟件對(duì)控制幀進(jìn)行處理并決定打開(kāi)發(fā)送窗口。在發(fā)送窗口打開(kāi)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，用這種方案就能發(fā)現(xiàn)瓶頸。系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)果被用來(lái)確認(rèn)這一理解，于是能夠做出更好決策來(lái)實(shí)現(xiàn)效率更高的系統(tǒng)。圖3中的另一個(gè)場(chǎng)景顯示了軟硬件劃分后的結(jié)果。

第一個(gè)范例中，當(dāng)軟件處理控制幀時(shí)，全局定時(shí)如下：

窗口編程時(shí)間=T+t RP +tPM+tintr+tsw_lat>T+texp，故在系統(tǒng)中，SW沒(méi)有對(duì)及時(shí)打開(kāi)發(fā)送窗口的指令進(jìn)行編程。

在第二個(gè)范例中，當(dāng)MAC HW處理控制幀時(shí)，全局定時(shí)為：

窗口編程時(shí)間=T+tprg_winexp，故系統(tǒng)中，HW對(duì)及時(shí)打開(kāi)發(fā)送窗口的指令進(jìn)行編程。

與此同時(shí)，現(xiàn)有的SPEAr板起到了很大的幫助作用，因?yàn)樵诎迳蠝y(cè)出了AES-CCM引擎的性能。因此能夠推斷出硬件中存在AES-CCM，因?yàn)锳ES-CCM軟件算法給不出所需要的性能。

挑戰(zhàn)

被測(cè)設(shè)計(jì)(DUT)或被測(cè)單元(UUT)的測(cè)試對(duì)任何設(shè)計(jì)方法學(xué)來(lái)說(shuō)都是最關(guān)注的一個(gè)方面。在開(kāi)發(fā)的初始階段，即架構(gòu)評(píng)估階段，必須需要一個(gè)高性能的性能仿真環(huán)境。具有行為功能TLM平臺(tái)能夠滿足這一需求，并對(duì)將要執(zhí)行的功能進(jìn)行功能檢查。當(dāng)進(jìn)入到低級(jí)抽象設(shè)計(jì)階段時(shí)，仿真性能大大降低，這成為有效驗(yàn)證IP的一個(gè)問(wèn)題。

軟硬件的系統(tǒng)級(jí)仿真與軟硬件的協(xié)同仿真一塊進(jìn)行。ST有自己的平臺(tái)，這是一個(gè)包含硬件(RTL)的混合平臺(tái)，軟件利用SystemC書(shū)寫(xiě)(見(jiàn)圖2)。該平臺(tái)的瓶頸是環(huán)境中所引入IP的RTL，而且注意到這將大大地降低性能。正如預(yù)期，這是所遇到的約束，而且對(duì)是否能夠比主仿真運(yùn)行更快的可能性進(jìn)行了評(píng)估。該方案基于Xtreme服務(wù)器硬件仿真，使得運(yùn)行速度至少要比NCSIM仿真快10倍。

圖4：配有軟件的Xtreme服務(wù)器配置。

圖4所示的該技術(shù)對(duì)第一次仿真特別實(shí)用，不需要任何有關(guān)環(huán)境配置方面的工作量。其概念是在Xtreme的FPGA中運(yùn)行RTL IP。開(kāi)始時(shí)，引入的時(shí)鐘為軟件時(shí)鐘，但結(jié)果相當(dāng)可喜，還簡(jiǎn)化了RTL的系統(tǒng)驗(yàn)證和調(diào)試。配置過(guò)程中，整個(gè)仿真環(huán)境是類(lèi)似的，僅有的改變是用VHDL RTL IP替代SysC IP。試驗(yàn)結(jié)果是仿真速度快了10倍。因此，Xtreme服務(wù)器平臺(tái)滿足了RTL驗(yàn)證/調(diào)試所用平臺(tái)的需求。最重要的方面是具有與ncsim同等水平的調(diào)適能力。還提供了與SystemC環(huán)境的無(wú)縫集成。

調(diào)試功能

硬件方面的一個(gè)更具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題是調(diào)試。當(dāng)自檢失敗時(shí)，就需要一個(gè)相關(guān)的測(cè)試范例。為了驗(yàn)證該測(cè)試范例，在檢查失敗原因時(shí)必須檢查所有的主要信號(hào)。所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行存放，驗(yàn)證，從而找出具體的原因。利用基于XTREME服務(wù)器的平臺(tái)可以很容易地執(zhí)行所有這些功能，無(wú)須額外的工作量。通過(guò)將實(shí)際硬件移入獨(dú)立的FPGA，可以很容易地改善仿真速度，不過(guò)這種方法提供的調(diào)試功能較少。因此，基于XTREME服務(wù)器的平臺(tái)不僅改善了仿真速度，還能提供非常好的調(diào)試功能。圖5給出了分析結(jié)果。

圖5：A）不同平臺(tái)上的仿真性能。B）不同平臺(tái)上的調(diào)試復(fù)雜性。