SystemC学习笔记（1）：系统描述语言

1.系统设计方法学

    为了提高片上系统（System on Chip，SoC）时代集成电路的设计效率，人们提出了两种设计方法学：

• 基于平台的设计。像搭积木一样把一个复杂的集成电路构建起来，关键在于知识产权（Intellectual Property，IP）的设计重用（Design Reuse）。
• 基于高层次综合的设计。先对电路进行比寄存器传输级（Register Transfer Level，RTL）更抽象的描述，然后利用高层次综合工具完成到RTL电路的转换。

    无论采用哪种设计方法学，都需要对复杂电子系统进行描绘，上述两种设计方法学各有优缺点，设计人员必须在系统描述的速度和精度之间做出折衷。

2.系统描述语言

    在传统设计方法中，设计的系统级往往使用UML、SDL、C、C++进行描述，而在RTL级使用过硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）如Verilog HDL、VHDL（VHSIC HDL）进行描述。在设计细化阶段，系统级描述向RTL级描述的转换必须手工进行，且不同的描述语言导致系统描述的不一致性。在这种情况下，迫切需要一种语言单一地完成全部设计，能够用于描述各种不同的抽象级别，能够胜任软硬件的协同设计和验证。系统级描述语言（System Level Description Language，SLDL）就是在这个背景下应运而生的。

    对系统级描述语言的要求是：高仿真速度和建模效率，时序和行为可以分开建模，支持基于接口的设计，支持软硬件混合建模，支持从系统级到门级的无缝过渡，支持系统级调试和系统性能分析等。

    当前系统描述语言发展方向有两个：一是扩展传统的硬件描述语言，使之具有系统描述能力，如System Verilog、Superlog；二是扩展传统的高级语言，使之支持硬件描绘，如SystemC。

    相比较而言，Verilog HDL的RTL级描述能力最强，VHDL的行为级描述能力更强，而SystemC则具有更好的系统级描述能力。在硬件描述的RTL及其以下级，SystemC与传统硬件描述语言相比并没有优势。

3.SystemC概述

    SystemC由一个非盈利性组织OSCI（Open SystemC Initiative）负责维护和发展，目前已经获得包括ARM、TI、Synopsys、Erission、Lucent等在内的50多个微电子公司的支持，有望成为继VHDL、Verilog HDL之后的又一个IEEE标准硬件和系统描述语言。

    SystemC完全免费，目前版本是2.2，发布于2007年3月，可以完成（包括）门级以上的设计描述。

    在系统开发初期，可以使用UML对系统需求和架构进行分析和描述，算法部分可以使用Matlab、SPW、CCSS等进行分析，然后利用SystemC进行事物级别建模（Transaction Level Modeling），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。

    SystemC本质上是在C++基础上添加的硬件扩展库和仿真核，这使得SystemC可以建模不同抽象级别的包括软件和硬件的复杂电子系统；既可以描述纯功能模型和系统体系结构，也可以描述软硬件的具体实现。SystemC源代码可以用任何标准C++编译环境进行编译，生成可执行文件；运行可执行文件可以生成VCD、WIF和ISDB格式的波形文件，可以使用综合工具如Synopsys SystemC Compiler将SystemC的RTL级描述综合为Verilog HDL的代码用于FPGA设计，也可以综合为门级电路用于ASIC设计。

    SystemC具有所有硬件描述语言所共有的基本特征，包括模块、进程、端口和信号等。为了支持RTL级的并行描述，SystemC采用了与传统硬件描述语言基本相同的调度模型--基于Δ延迟，不过在SystemC中所有的信号和变量的初始化工作在构造函数中进行，比其他函数先执行，避免了像Verilog HDL中由于初始化顺序不同引起的不同仿真器仿真结果的不一致。为了支持进程同步和通信细化，SystemC支持用户自定义的接口（Interface）、端口（Port）和通道（Channel）。

4.基于SystemC的系统设计流程

    使用SystemC一种语言就可以完成从系统到RTL、从软件到硬件的全部设计，从C/C++到HDL不再需要手工转换，整个设计的软硬件可以协同设计和仿真。

    基于SystemC的设计流程如下：

        ┌→SystemC系统级模型→仿真→细化→综合→其他流程─┐

        └─────────────────────────┘

节选整理自《SystemC片上系统设计》一书，陈曦、徐宁仪编著，科学出版社，2003年。

最后

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