利用基于SystemC/TLM的方法學進行IP開發(fā)和FPGA建模

隨著系統(tǒng)級芯片技術的出現(xiàn)，設計規(guī)模正變得越來越大，因而變得非常復雜，同時上市時間也變得更加苛刻。通常RTL已經(jīng)不足以擔當這一新的角色。上述這些因素正驅(qū)使設計師開發(fā)新的方法學，用于復雜IP(硬件和軟件)以及復雜系統(tǒng)的驗證。ST公司建立了一個設計流，它從高級抽象開始，易于將模型寫入IP的精密周期或RTL模型中。當轉(zhuǎn)入低級抽象時，建模變得復雜，故IP驗證也復雜。我們的方案最適合于這種應用場景，因為它允許人們在各地相似的環(huán)境中運行相同的測試平臺和測試場景，因而允許在整個開發(fā)周期里高效地復用所有的測試范例和環(huán)境。

在半導體領域，開發(fā)產(chǎn)品的第一步就是以高級抽象開發(fā)規(guī)范的模型，通常用C/C++來實現(xiàn)。這里，SystemC和C++庫提供了很大幫助。它簡化了共存的硬件和軟件設計的概念化。再加上實現(xiàn)事務級模型間對口連接的TLM傳送庫，SystemC加速了整個驗證過程。另一個重要方面是所有不同抽象架構(gòu)中經(jīng)過增強的可移植性。同一測試配置可以無縫地用于不同抽象級的設計。

本文將討論一種此類的方法學。最終的目標是設計和實現(xiàn)UWB MAC(媒體訪問層)IP。出于架構(gòu)開發(fā)的目的，決定用SystemC來實現(xiàn)整個IP。還開發(fā)了抽象級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，軟件的實際編寫也可以在設計周期非常早的階段開始。該IP的RTL結(jié)果被移植到了SPEAr系列的FPGA中。除了ARM內(nèi)核和相應的一系列IP，SPEAr還提供一個可配置邏輯塊，這為用戶在實現(xiàn)其邏輯功能時提供了無與倫比的靈活性。從而縮短了上市時間，同樣也實現(xiàn)了空前的成本節(jié)省。

設計開發(fā)方法學

圖1所示的該方法學實現(xiàn)了開發(fā)的內(nèi)核中的事務級建模(TLM)。TLM是一種對數(shù)字系統(tǒng)進行建模的高級方案，這里將模塊之間的具體通信與功能單元或通信架構(gòu)的具體實現(xiàn)分離開。把總線或FIFO這類通信機制模型化成信道，用SystemC接口類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請求，這將減少具體的低級信息交換。

圖1：IP開發(fā)方法學流程。

在事務級建模時，

* 更加注重數(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，到那里去

* 不太關注實際的實現(xiàn)-即不太關注數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移所用的實際協(xié)議

該方案使得系統(tǒng)設計師的實驗變得更加容易，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)，不一定需要對與任意總線進行交互的模型進行重新編碼，只要這些模型能夠通過公用接口與總線進行交互即可。

在我們的方法中，起始點是對整個功能系統(tǒng)平臺進行建模。這是利用SystemC并通過sc fifo接口實現(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)建了一個測試環(huán)境，環(huán)境中開發(fā)了測試平臺，來傳輸分別來自兩側(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)生了預期的結(jié)果或參考。在抽象層，與平臺一起使用來進行修改，快速并有效地做試驗時將變得很容易，不過精度會降低一些。

圖中所示為用于開發(fā)中下一級輸入的配置平臺。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。該方案在進行軟硬件劃分方面是有效并安全的，因為平臺提供能夠用來識別出整個系統(tǒng)瓶頸的原始統(tǒng)計信息。該階段中，實現(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該方法學中所用的方案進行具體化。附加到該平臺上的另一個是DMA-PL080的TLM模型，下一步是用MAC HW RTL替代整個MAC HW SystemC功能模型，如圖2所示。整個周邊環(huán)境是一樣的，因此測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責到信號變換的事務處理適配器。由于該系統(tǒng)基于ARM，適配器的書寫必須遵從信號級AHB總線接口。實際上，該平臺將相同的環(huán)境表征為現(xiàn)實系統(tǒng)，不過與此同時，開始面對仿真性能方面的問題。顯然，我們還不能用該配置來執(zhí)行廣泛的調(diào)試/驗證，不過可以運行簡單的測試(具有較短的仿真時間)。

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

由于在當前仿真環(huán)境中發(fā)現(xiàn)瓶頸，我們對基于硬件模擬XTREME服務器的平臺進行評估，該平臺基本提供了硬件所需的FPGA塊，并提供了軟件與整個環(huán)境的無縫集成。基于XTREME服務器中早期平臺的移植只需要很少工作量，并且相對于基于ncsim的仿真環(huán)境，實現(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設計的驗證，否則將會浪費過多時間。同時，基于Xtreme服務器的平臺還提供了同等調(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方面。之所以硬件/軟件劃分變得如此關鍵，是因為如下一些因素，如系統(tǒng)的實時處理需求，應用軟件的存儲限制以及其他因素。許多時候，設計開發(fā)階段一些決策依賴于直覺判斷或者先前的經(jīng)驗。但當某些事情發(fā)生錯誤時這將蘊含一個風險。隨著系統(tǒng)復雜度以及流片成本的增加，這種決策方法可能會鑄成大錯。強調(diào)需要一種有助于實現(xiàn)更好軟硬件劃分決策的方法學具有許多原因。

在UWB MAC系統(tǒng)開發(fā)范例中，具有很多必須很好遵守的時間約束，這是因為應用層完全依賴于空中——即來自射頻天線的全局廣播定時。實現(xiàn)決策的方案建立在我們從具體的系統(tǒng)級平臺的執(zhí)行中所獲取的經(jīng)驗。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)它們是否將對系統(tǒng)構(gòu)成任何瓶頸。通常，當系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流發(fā)送時，數(shù)據(jù)幀必須從MAC發(fā)送到PHY，而對于接收，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀則從PHY到MAC，并存入到存儲器中由軟件進行進一步的分析。在仿真場景分析過程中，能夠識別出是否需要在硬件中進行一些協(xié)議解析以采取及時的措施。

圖3：系統(tǒng)中著重硬件支持需求的應用場景。

圖3中詳細給出了一個決策范例。根據(jù)協(xié)議的需求，接收數(shù)據(jù)中有一個控制包，它通知下次發(fā)送事件的通用定時，即何時發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包?？紤]到MAC硬件是一個典型的數(shù)據(jù)通道，并將控制幀傳送到存儲器中，軟件對控制幀進行處理并決定打開發(fā)送窗口。在發(fā)送窗口打開出現(xiàn)問題時，用這種方案就能發(fā)現(xiàn)瓶頸。系統(tǒng)平臺結(jié)果被用來確認這一理解，于是能夠做出更好決策來實現(xiàn)效率更高的系統(tǒng)。圖3中的另一個場景顯示了軟硬件劃分后的結(jié)果。

第一個范例中，當軟件處理控制幀時，全局定時如下：

窗口編程時間=T+t RP +tPM+tintr+tsw_lat>T+texp，故在系統(tǒng)中，SW沒有對及時打開發(fā)送窗口的指令進行編程。

在第二個范例中，當MAC HW處理控制幀時，全局定時為：

窗口編程時間=T+tprg_winexp，故系統(tǒng)中，HW對及時打開發(fā)送窗口的指令進行編程。

與此同時，現(xiàn)有的SPEAr板起到了很大的幫助作用，因為在板上測出了AES-CCM引擎的性能。因此能夠推斷出硬件中存在AES-CCM，因為AES-CCM軟件算法給不出所需要的性能。

挑戰(zhàn)

被測設計(DUT)或被測單元(UUT)的測試對任何設計方法學來說都是最關注的一個方面。在開發(fā)的初始階段，即架構(gòu)評估階段，必須需要一個高性能的性能仿真環(huán)境。具有行為功能TLM平臺能夠滿足這一需求，并對將要執(zhí)行的功能進行功能檢查。當進入到低級抽象設計階段時，仿真性能大大降低，這成為有效驗證IP的一個問題。

軟硬件的系統(tǒng)級仿真與軟硬件的協(xié)同仿真一塊進行。ST有自己的平臺，這是一個包含硬件(RTL)的混合平臺，軟件利用SystemC書寫(見圖2)。該平臺的瓶頸是環(huán)境中所引入IP的RTL，而且注意到這將大大地降低性能。正如預期，這是所遇到的約束，而且對是否能夠比主仿真運行更快的可能性進行了評估。該方案基于Xtreme服務器硬件仿真，使得運行速度至少要比NCSIM仿真快10倍。

圖4：配有軟件的Xtreme服務器配置。

圖4所示的該技術對第一次仿真特別實用，不需要任何有關環(huán)境配置方面的工作量。其概念是在Xtreme的FPGA中運行RTL IP。開始時，引入的時鐘為軟件時鐘，但結(jié)果相當可喜，還簡化了RTL的系統(tǒng)驗證和調(diào)試。配置過程中，整個仿真環(huán)境是類似的，僅有的改變是用VHDL RTL IP替代SysC IP。試驗結(jié)果是仿真速度快了10倍。因此，Xtreme服務器平臺滿足了RTL驗證/調(diào)試所用平臺的需求。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)境的無縫集成。

調(diào)試功能

硬件方面的一個更具挑戰(zhàn)性的問題是調(diào)試。當自檢失敗時，就需要一個相關的測試范例。為了驗證該測試范例，在檢查失敗原因時必須檢查所有的主要信號。所以需要對信號進行存放，驗證，從而找出具體的原因。利用基于XTREME服務器的平臺可以很容易地執(zhí)行所有這些功能，無須額外的工作量。通過將實際硬件移入獨立的FPGA，可以很容易地改善仿真速度，不過這種方法提供的調(diào)試功能較少。因此，基于XTREME服務器的平臺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）不同平臺上的仿真性能。B）不同平臺上的調(diào)試復雜性。