基于SystemC 的系統(tǒng)驗證研究和應(yīng)用

摘要 : 視頻編解碼芯片中運動估計與補償單元(MECU)的算法復(fù)雜，使用傳統(tǒng)硬件描述語言建立模型和模型驗證的過程繁瑣耗時，為了縮短芯片驗證時間，本文針對MECU 模塊提出了基于SySTemC 語言的具體系統(tǒng)級驗證流程。在整個芯片驗證工作中，為了實現(xiàn)MECU 模塊和低抽象級的其它外部模塊協(xié)同驗證，本文提出的驗證流程利用了SystemC 能在不同抽象級建模的優(yōu)勢，對MECU 模塊的數(shù)據(jù)傳輸控制端口進行細化。仿真結(jié)果表明：與使用傳統(tǒng)件描述語言驗證方法相比，基于SystemC 的驗證流程簡單有效，大大縮短了建模與驗證時間。

1 引言

當前集成電路制造技術(shù)迅速發(fā)展，SoC(system-on-chip)設(shè)計已經(jīng)成為集成電路設(shè)計的發(fā)展方向。隨著SoC 設(shè)計的復(fù)雜度提高，在開發(fā)SoC 的過程中，驗證工作越發(fā)重要和繁重，所占的開銷占據(jù)總開銷的40%~70%。SoC 設(shè)計的驗證過程不但影響到芯片的成功設(shè)計，而且影響到芯片的上市時間，因此驗證的正確性及其耗時的縮短成為了SoC 設(shè)計的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)設(shè)計中，系統(tǒng)級設(shè)計使用高級語言C/C++等描述功能模塊的算法，驗證的時候使用硬件描述語言(VHDL 或Verilog HDL)。系統(tǒng)驗證之前必須通過手工將原始的C/C++代碼轉(zhuǎn)換為VHDL/Verilog HDL 代碼，這個轉(zhuǎn)換過程耗時大并且容易產(chǎn)生錯誤。在系統(tǒng)驗證過程中，使用傳統(tǒng)硬件描述語言對復(fù)雜模塊的驗證需要耗費大量時間。

為了提高系統(tǒng)級驗證效率，本文針對視頻芯片中的運動估計與補償單元模塊(MECU)提出了基于SystemC 的驗證方法和流程。該方法大大縮短了系統(tǒng)驗證的搭建時間和系統(tǒng)驗證過程的時間。本文利用SystemC 支持設(shè)計者在不同抽象級建模的特點，給MECU 添加了低抽象級接口，使該單元能夠和視頻芯片內(nèi)部其它模型通訊以便完成整個芯片的系統(tǒng)級驗證。本文最后的仿真結(jié)果證明了該設(shè)計流程的有效性。

2 SystemC 語言

SystemC 是由C++衍生而來，本質(zhì)是在C++的基礎(chǔ)上添加了硬件擴展庫和仿真核，這使SystemC 可以在不同抽象級對復(fù)雜電子系統(tǒng)建模。它既可以描述純功能的模型和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，又可以描述軟硬件的具體實現(xiàn)，進行軟硬件的協(xié)同驗證。

SystemC 包括以下建模元素：

　　*模塊（module） 相當于C++的類定義，是一個可以多層次的實體。一個模塊可以嵌套其他模塊和一些進程，是SystemC 里面最基本的單元。

　　*進程（process） 用來描述模塊的功能，包含于模塊中。進程是由事件（event）來觸發(fā)的，這種觸發(fā)的方式使進程可以并行執(zhí)行，實現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的并行特性，SystemC 包括三種不同的進程。

　　*接口（interface） 定義了一組方法實現(xiàn)目標，但是不實現(xiàn)這些方法。

　　*通道（channel） 實現(xiàn)了接口定義的方法，分為基本通道和層次化通道。

　　*端口（port） 總是與一定的接口類型相關(guān)聯(lián)，端口只能連接到實現(xiàn)了該類接口的通道上，通過端口模塊和進程來訪問通道內(nèi)定義的接口方法。

　　*信號（signal） 用來實現(xiàn)各個進程之間的通訊。SystemC 提供了多種信號格式來滿足從寄存器傳輸級（Register Transmit Level, RTL）到功能級等不同抽象級的模擬。

　　*事件（event） 用來觸發(fā)各個進程的開始以及暫停，通常多個事件組成一個敏感列表(sensitive list)共同決定進程的狀態(tài)。

　　*時鐘信號（clock） 時鐘在同步電路設(shè)計中是一個非常重要的角色，本質(zhì)上它是一種特殊的信號，為仿真過程提供了時間基準。

上述建模元素使得SystemC 能夠順利的搭建硬件平臺。

3 基于SystemC 的建模方法

系統(tǒng)級驗證過程中，對于復(fù)雜算法模型只需要建立參考模型(Reference Models)，搭建驗證平臺，觀察模型的一些重要功能(算法、進程等等)，不需要了解RTL 層面的細節(jié)。利用事務(wù)級建模方法(TLM, Transaction Level Modeling)技術(shù)很容易建立參考模型。一個完整的芯片是由多個功能模塊組成，采用SystemC 對復(fù)雜算法單元建立模型能使功能驗證時間縮短，而一些簡單模型的驗證需要在RTL 層面。為了實現(xiàn)不同抽象級模塊通訊，本文對使用SystemC 建立的復(fù)雜單元模型進行接口精細化處理。本文對實際芯片單元提出的SystemC 建模驗證流程如圖1 所示：

圖1 SystemC 驗證流程

驗證流程描述：

（1）搭建SystemC 系統(tǒng)級模型：

使用基于C＋＋的SystemC 能很容易搭建系統(tǒng)級模型。利用SystemC 對所要實現(xiàn)的系統(tǒng)功能進行描述，主要描述系統(tǒng)的算法、結(jié)構(gòu)等，不考慮每個時鐘周期寄存器數(shù)值改變。只有針對復(fù)雜算法單元使用SystemC 建模，才能夠發(fā)揮SystemC 節(jié)省建模和驗證時間的優(yōu)勢。

（2）系統(tǒng)級功能仿真：

利用支持SystemC 的工具對建立的模型進行仿真驗證系統(tǒng)功能，觀察結(jié)果并且不斷進行反饋修改直到仿真正確。

（3）精細化接口：

精細化接口是多模塊驗證過程的關(guān)鍵。因為在對單個復(fù)雜單元系統(tǒng)級驗證的時候，抽象級很高，只需要考慮其功能性。多個模塊驗證時外部單元模型可能在RTL 級別構(gòu)建，這時需要利用SystemC 能在不同抽象級建模的優(yōu)勢，在一個較大的模塊中實現(xiàn)不同的抽象層建模，即在和外部模型接口處將抽象級降低到RTL 級。精細化接口的過程需要根據(jù)外部模塊接口調(diào)節(jié)輸入輸出數(shù)據(jù)位寬、設(shè)置敏感事件列表，并且嚴格按照外部時鐘控制數(shù)據(jù)的傳輸，保證順利和外部模塊通訊。

（4）協(xié)同驗證：

驗證多個模塊共同工作的正確性，這時候發(fā)現(xiàn)錯誤就能夠及時進行設(shè)計的修改，提高芯片設(shè)計效率。驗證結(jié)果正確的模塊就可以進行后端流程，建立的驗證平臺也可以作為外部驅(qū)動的測試平臺進行軟件的驗證。

4 應(yīng)用實例

4.1 MECU 原理

廣泛應(yīng)用在手機中的視頻編解碼芯片編解碼流程包括了DCT 變換、量化、VLC 編碼、反DCT 變換，反量化、運動估計、運動補償、插值計算、邊緣填充等步驟，其中運動估計與補償部分是實現(xiàn)壓縮圖像時間冗余度的重要環(huán)節(jié)，由于其算法的復(fù)雜性該部分占據(jù)了大部分的編解碼時間, 對MECU 模塊的驗證是整個芯片驗證中工作量最大的環(huán)節(jié)。

本文中MECU采用MVFast(Motion Vector Field Adaptive Fast Motion Estimation) 算法實現(xiàn)ME/MC：ME 部分在圖像編碼過程中實現(xiàn)運動預(yù)測，計算出運動矢量，同時完成宏塊編碼類型(MBmode)判斷和運動矢量編碼類型判斷；MC 部分在圖像編碼過程中，根據(jù)輸入各塊的運動矢量完成YUV 的插值處理輸出運動參考塊數(shù)據(jù)和當前處理塊數(shù)據(jù)；在圖像解碼處理中完成插值處理輸出參考塊數(shù)據(jù)。

4.2 模塊搭建

采用Verilog 語言直接建立MECU 模型用于芯片設(shè)計時，由于MECU 算法復(fù)雜，建模過程耗時巨大。Verilog 建模期間系統(tǒng)驗證工程師需要等待模型建立完成，這樣增長了芯片設(shè)計周期，另一方面對使用Verilog 建立的MECU 模型驗證耗費時間長。由于基于SystemC的建模時間相對Verilog 建模時間縮短3～4 倍，驗證過程具有快速性優(yōu)勢，本文嘗試采用SystemC 進行前期建模和驗證工作。

依據(jù)本文第二部分介紹的驗證方法，首先建立MECU 硬件仿真模型進行功能驗證，然后在這個硬件模型正確的基礎(chǔ)上進行外圍模塊設(shè)計的驗證，以實現(xiàn)整個芯片的系統(tǒng)級驗證。

第一步利用SystemC 對ME 和MC 分別進行系統(tǒng)級建模。在建立ME 和MC 這兩個模塊時，只需要實現(xiàn)ME 和MC 各自算法功能和兩個模塊之間的通訊，因此不需要按照精確的時序建模。在C 語言實現(xiàn)MVFAST 算法模型基礎(chǔ)上，用SC_MODULE 將ME 和MC 各自編寫成可仿真的模塊MEU 和MCU，內(nèi)部的功能利用Process 來實現(xiàn)。模型建立之后，搭建平臺進行功能驗證，觀察數(shù)據(jù)經(jīng)過ME 和MC 之后的變化是否完全符合算法要求。

MEU 和MCU 模型功能驗證結(jié)束之后需要協(xié)同芯片中其它模塊進行驗證，由于MECU的外圍模塊是在RTL 級建模，并且嚴格按照時鐘進行數(shù)據(jù)處理，因此必須對MECU 接口進行精細化。本實驗添加了SYS_IF ,ZSP-IF, DMA-IF 和BPU-IF 模塊以實現(xiàn)與外圍模塊通訊，這些接口模塊包括和外圍模塊相匹配的輸入輸出端口，并且由時鐘嚴格控制數(shù)據(jù)的傳輸。

最終建立的SystemC 模型和外部環(huán)境定義如圖2 所示。

圖2 MECU 的SystemC 模型

4.3 接口模塊描述

（1）SYS_IF 提供MECU 的外部時鐘以及復(fù)位信號接口，這兩個控制信號對MECU 內(nèi)部所有模塊有效。

（2）MEU 和MCU 的觸發(fā)由外部ZSP 產(chǎn)生的開始信號來控制，在MECU 內(nèi)部包含的控制寄存器也由ZSP 來控制。ZSP_IF 模塊的添加實現(xiàn)了ZSP 對MECU 進行讀寫控制。

（3）MECU 模型編解碼過程需要處理的數(shù)據(jù)是通過ZSP 控制DMA 提供，因此添加DMA_IF模塊實現(xiàn)和DMA 通訊，搬運數(shù)據(jù)以供MECU 處理。

（4）最終MC 完成產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過BPU_IF 模塊傳輸出到BPU 中（用于軟硬件結(jié)果對比）。

從上述結(jié)構(gòu)可以看出，MECU 包括了六個模塊：ME,MC,SYS_IF,ZSP_IF, DMA_IF 以及BPU_IF。ME 和MC 作為核心功能模塊實現(xiàn)了MECU 單元的算法，SYS_IF,ZSP_IF, DMA_IF以及BPU_IF 四個接口模塊由時鐘嚴格控制數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)和外圍模塊通訊功能。

5 仿真結(jié)果分析

利用上述SystemC 模型進行仿真驗證，采用一組352*288 像素的圖像作為仿真對象，使用Mentor 公司的Modelsim 作為仿真工具。首先建立測試平臺，對外部ZSP，DMA 進行模擬以提供控制信號和處理數(shù)據(jù)，然后利用Modelsim 進行仿真驗證和時序分析。Modelsim得到的部分波形圖如圖三所示：

圖三 MECU 驗證部分波形圖

仿真得到的數(shù)據(jù)結(jié)果完全符合算法的期望值，證明了搭建模型的正確性。時序分析結(jié)果表明：使用SystemC 對圖像的一個宏塊（16*16 像素）進行編碼平均需要680 個clock cycle，其中ME 和MC 部分占用11 個clock cycle；用傳統(tǒng)硬件描述語言Verilog 建模進行驗證一個模塊的編碼平均需要3000 個clock cycle，其中ME 和MC 占據(jù)2200 個clock cycle。將基于SystemC 和Verilog 兩種建模方法的ME 和MC 驗證時間相比較發(fā)現(xiàn)：采用SystemC 進行純功能性驗證時間比使用Verilog 驗證時間縮短了約200 倍，因此驗證時間上的優(yōu)勢是顯著的。

6 總結(jié)

本文對 SystemC 驗證方法進行了深入的研究，針對視頻編解碼芯片MECU 單元的驗證提出了使用SystemC 驗證的建模流程，通過端口細化方法使芯片能在不同抽象級建模驗證，這種方法在當前國內(nèi)驗證方面使用不多。仿真結(jié)果證明了該流程的有效性，和使用傳統(tǒng)硬件描述語言驗證相比時間顯著縮短。