基于SystemC的存儲(chǔ)器模型設(shè)計(jì)與性能分析

建立芯片模型是在早期進(jìn)行芯片架構(gòu)決策的有效方法，通過(guò)建模不僅可以對(duì)芯片的性能做出分析，還可以在硬件沒(méi)有完成之前開(kāi)發(fā)軟件，不僅提高了產(chǎn)品成功率，而且縮短了研發(fā)周期。設(shè)計(jì)人員早期采用C/C++語(yǔ)言進(jìn)行硬件建模。但是隨著軟硬件復(fù)雜度的提高，C/C++語(yǔ)言難以再滿足要求。OSCI適時(shí)推出了SystemC語(yǔ)言來(lái)適應(yīng)新的需求。如今SystemC已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于SoC軟硬件建模中。

目前大部分SystemC建模方面是設(shè)計(jì)芯片整體模型的描述，這種針對(duì)特定芯片設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)雖然都有參考價(jià)值，但是其模型本身借鑒性有限。另一方面，構(gòu)成SoC硬件的基本組件因?yàn)榭芍赜玫木壒剩淠Ｐ驮O(shè)計(jì)具有更好的可借鑒性。這方面的研究成果相對(duì)較少，而且集中在總線建模方面，也可以看到多核設(shè)計(jì)方面的建模方法。

除了上述總線、CPU 架構(gòu)外，片內(nèi)或片外存儲(chǔ)器同樣是系統(tǒng)關(guān)鍵模塊，對(duì)系統(tǒng)性能有著至關(guān)重要的影響。文獻(xiàn)[6]對(duì)SystemClick框架做了擴(kuò)展，從而通過(guò)存儲(chǔ)器模型能夠分析共享存儲(chǔ)器對(duì)性能的影響。文獻(xiàn)[7]針對(duì)多通道DRAM 做了建模，并且分析了不同的配置和使用情況對(duì)性能的影響。這兩篇文獻(xiàn)都對(duì)所設(shè)計(jì)的模型做了詳盡的分析，具有很好的參考價(jià)值，但是兩者的通用性欠佳。本文提出了一個(gè)可配置的通用存儲(chǔ)器SystemC模型。

2 SystemC

SystemC可被視作C++硬件建模和仿真的擴(kuò)展庫(kù)，特別適合集成電路的建模，但它事實(shí)上可以用來(lái)描述更多的系統(tǒng)。SystemC通過(guò)確定仿真核心(simulation kernel)算法定義了處理并行事件和仿真時(shí)間的機(jī)制。SystemC還定義了模塊、端口、接口、通道等概念來(lái)組成一個(gè)復(fù)雜SoC的連接關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)。因此，它解決了標(biāo)準(zhǔn)C++語(yǔ)言用于復(fù)雜硬件建模時(shí)的難題。

3 存儲(chǔ)器的建模

3.1 存儲(chǔ)器模型概述

為了能幫助設(shè)計(jì)人員分析系統(tǒng)性能并選擇最合適的存儲(chǔ)器構(gòu)造，存儲(chǔ)器模型需要反映出對(duì)性能造成影響的關(guān)鍵參數(shù)，即帶寬、延時(shí)和仲裁機(jī)制。而這些參數(shù)又是由存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)以及其它參數(shù)決定的。另一方面，本文希望提出一個(gè)通用的存儲(chǔ)器模型，因此會(huì)有更多的參數(shù)用于配置存儲(chǔ)器以模擬某種特定類型的存儲(chǔ)器特征，比如多端口SRAM。

圖1給出了所設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器模型的結(jié)構(gòu)。它包括三個(gè)部分：一是模型接口;二是端口及bank可配置的存儲(chǔ)器;三是由讀寫(xiě)通路及仲裁機(jī)制構(gòu)成的存儲(chǔ)器控制器。接口部分采用了事務(wù)級(jí)建模，而內(nèi)部模塊采用了時(shí)鐘精準(zhǔn)的建模，這樣在保證時(shí)間精度的同時(shí)，方便了接口連接以及提高了仿真速度。

圖1 可配置存儲(chǔ)器模型結(jié)構(gòu)

3.2 存儲(chǔ)器接口

基于SystemC的存儲(chǔ)器模型接口，由SystemC定義的接口基類派生而來(lái)。整個(gè)存儲(chǔ)器模型是一個(gè)SystemC模塊，由于實(shí)現(xiàn)了所定義的存儲(chǔ)器模型接口，它成為SystemC概念中的hierarchal channel。因此，該存儲(chǔ)器模型將如同其它SystemC定義的通道，比如FIFO,一樣作為基本組件來(lái)連接其它的模塊從而構(gòu)造出SoC硬件系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器具有如下所述事務(wù)級(jí)SystemC接口。

阻塞讀接口：該接口用來(lái)讀取給定地址的給定大小的數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)沒(méi)有讀出時(shí)，調(diào)用這個(gè)接口的模塊線程將被堵塞，直到數(shù)據(jù)讀出為止。除了地址和數(shù)據(jù)，該接口還包含調(diào)用者的標(biāo)志信息。

非阻塞讀接口：與阻塞讀接口不同的是，如果在調(diào)用時(shí)讀指令不能被接受，則返回失敗。否則，不等待數(shù)據(jù)返回便成功退出。這樣調(diào)用接口的模塊線程可以在等待時(shí)間做其它事情。調(diào)用者通過(guò)監(jiān)聽(tīng)存儲(chǔ)器模型廣播的當(dāng)前讀出數(shù)據(jù)多對(duì)應(yīng)調(diào)用者標(biāo)記來(lái)在之后讀出數(shù)據(jù)。

阻塞寫(xiě)接口：該接口用來(lái)向存儲(chǔ)器給定地址寫(xiě)入給定大小的數(shù)據(jù)。當(dāng)指令或?qū)憯?shù)據(jù)不能被存儲(chǔ)器模型接收時(shí)，調(diào)用的線程被堵塞直到接受為止。除了地址和數(shù)據(jù)，該接口還包含調(diào)用者的標(biāo)志信息。

非阻塞寫(xiě)接口：與阻塞寫(xiě)接口不同的是，當(dāng)指令或數(shù)據(jù)不能被接受時(shí)，返回失敗而不等待。否則返回成功。

復(fù)位接口：用于復(fù)位存儲(chǔ)器模型。

為了不強(qiáng)制要求外部提供存儲(chǔ)器模型需要的時(shí)鐘，存儲(chǔ)器模型接口中不包含時(shí)鐘輸入。模型內(nèi)部有一個(gè)專門(mén)的時(shí)鐘產(chǎn)生線程。

3.3 存儲(chǔ)器實(shí)體

存儲(chǔ)器模型中的存儲(chǔ)器實(shí)體可以由多個(gè)bank組成，并構(gòu)成一個(gè)子模塊。根據(jù)bank的數(shù)量和種類，該存儲(chǔ)器子模塊具有不同數(shù)量的只讀端口、只寫(xiě)端口和讀寫(xiě)端口。為了能盡可能模擬不同的存儲(chǔ)器類型，存儲(chǔ)器子模塊可配置參數(shù)如表1所示。

表1 存儲(chǔ)器配置參數(shù)

3.4 存儲(chǔ)器控制器

存儲(chǔ)器控制器由指令隊(duì)列、數(shù)據(jù)緩存、以及仲裁器構(gòu)成。這一部分對(duì)系統(tǒng)的性能有重要影響。讀指令隊(duì)列和寫(xiě)指令隊(duì)列用來(lái)分別緩存讀寫(xiě)指令。當(dāng)它們寫(xiě)滿時(shí)，新的讀寫(xiě)操作將失敗或堵塞。指令隊(duì)列的數(shù)量取決于訪問(wèn)存儲(chǔ)器模型的模塊有幾個(gè)優(yōu)先級(jí)。相同優(yōu)先級(jí)的指令會(huì)被放到同一個(gè)隊(duì)列。讀仲裁器和寫(xiě)仲裁器分別根據(jù)隊(duì)列中的讀地址和寫(xiě)地址，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)緩存器的狀態(tài)，以及指令優(yōu)先級(jí)來(lái)決定發(fā)送哪個(gè)指令到哪個(gè)端口。而如果讀指令和寫(xiě)指令指向了相同的讀寫(xiě)端口，讀寫(xiě)仲裁器將再一次做出仲裁。這里的每個(gè)仲裁器除了上述功能外，具體的仲裁機(jī)制以虛函數(shù)的形式由具體的實(shí)現(xiàn)來(lái)決定。在該存儲(chǔ)器模型中實(shí)現(xiàn)了默認(rèn)的基于優(yōu)先級(jí)的輪詢算法。存儲(chǔ)器控制器的配置參數(shù)如表2所示。

表2 存儲(chǔ)器控制器的配置參數(shù)

3.5 參數(shù)配置

存儲(chǔ)器模型的眾多參數(shù)需要在構(gòu)造函數(shù)中配置完成。在運(yùn)行階段，不能再更改配置。運(yùn)行階段的配置更改將是我們下一步的研究?jī)?nèi)容，可以用于類似于文獻(xiàn)[8]的自演化系統(tǒng)。

4 應(yīng)用實(shí)例

圖2所示為一個(gè)H.264解碼器模塊框圖。該解碼器共包括四個(gè)模塊以流水線方式工作在宏塊級(jí)別。其中熵解碼產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)矢量，變換系數(shù)等信息。殘差恢復(fù)模塊通過(guò)反量化、反變換操作得到殘差。宏塊預(yù)測(cè)模塊進(jìn)行幀內(nèi)或幀間預(yù)測(cè)并和殘差一起重建出宏塊數(shù)據(jù)。去快效應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)H.264去塊效應(yīng)濾波。這四個(gè)模塊通過(guò)一個(gè)共享的SRAM 來(lái)交換數(shù)據(jù)。RTL設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)率先完成了各模塊微架構(gòu)的設(shè)計(jì)，平均解碼每個(gè)模塊所需時(shí)間在指標(biāo)范圍內(nèi)。

圖2 H.264解碼器使用共享存儲(chǔ)器在解碼模塊間交換數(shù)據(jù)

為了確定共享SRAM 引入的性能損失和確定SRAM 的設(shè)計(jì)，采用本文存儲(chǔ)器模型進(jìn)行分析。存儲(chǔ)器的大部分參數(shù)已經(jīng)被確定，需要決定采用幾個(gè)bank(每個(gè)bank是一個(gè)單端口SRAM)。另一方面，各模塊讀寫(xiě)存儲(chǔ)器的時(shí)間也基本確定從而有了可靠地負(fù)載模型。通過(guò)改變存儲(chǔ)器模型的bank數(shù)，得到結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同bank數(shù)所對(duì)應(yīng)的單個(gè)宏塊平均解碼時(shí)間占允許時(shí)間的比例

由于bank的增加可以減少訪問(wèn)存儲(chǔ)器的沖突，模型仿真得到的處理時(shí)間隨bank數(shù)量的增加而減少。但是可以看到bank數(shù)量對(duì)所消耗的時(shí)間影響不大，這說(shuō)明各解碼模塊訪問(wèn)存儲(chǔ)器的時(shí)間分布已經(jīng)比較均勻。由于一個(gè)bank的情況已經(jīng)可以滿足要求，所以最后確定bank數(shù)為1。RTL全部完成后的仿真結(jié)果所消耗的時(shí)間比模型所給出的略少一些，原因是RTL設(shè)計(jì)對(duì)訪問(wèn)共享SRAM 的時(shí)間安排做了進(jìn)一步細(xì)化的工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一個(gè)通用的存儲(chǔ)器SystemC模型，該模型采用統(tǒng)一的事務(wù)級(jí)接口，和可配置的時(shí)鐘精準(zhǔn)的內(nèi)部控制邏輯以及存儲(chǔ)器構(gòu)成。通過(guò)一系列的參數(shù)配置，該模型能夠幫助設(shè)計(jì)人員快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)建模并在存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)和選擇上做出合理判斷。借助其通用性，它還可以幫助保持一致性和減少重復(fù)勞動(dòng)。該模型被應(yīng)用于視頻解碼案例中，成功預(yù)測(cè)了共享SRAM 的bank數(shù)對(duì)性能的影響，證明了其有效性。