SystemC

Работа над языком SystemC [30-31] была начата в середине 1990-х в качестве внутреннего проекта компании Synopsis, и язык был открыт сообществу в 1999 году. В 2000 году был учрежден консорциум Open SystemC Initiative [31], в который вошли такие заинтересованные компании, как Mentor Graphics, Cadence, ARM, CoWare. Образование этого консоциума позволило проводить работы по развитию SystemC в интересах всего сообщества. Первая версия SystemC 1.0 вышла в этом же году и сменилась следующей в 2001 году. В 2005 году для SystemC появился стандарт IEEE Std 1666 [32]. В настоящее время ведутся работы над созданием новой версии SystemC 3.0.

На самом деле, SystemC не является самостоятельным языком. Фактически, это библиотека классов, типов и макросов C++, которая позволяет удобно описывать программно-аппаратную систему на различных уровнях абстракции. Благодаря хорошим возможностям языка C++ для определения пользовательских типов, описания на SystemC выглядят достаточно выразительным образом, что позволяет эффективно расширять семантику базового языка. К основным расширениям SystemC, явно отсутствующим в C++, относятся:

понятие модельного времени;
возможности описания параллельно выполняющихся вычислений;
дополнительные типы данных, отражающие специфику проектирования аппаратуры (в первую очередь, многозначная логика 1, 0, X, Z).

Основным преимуществом SystemC над языками VHDL и Verilog является возможность использовать одно и то же окружение и язык для описания системы от самых высокоуровневых моделей на C++ до структурных синтезируемых моделей уровня RTL. Теоретически это позволяет постепенно детализировать описание системы в процессе проектирования. Однако пока инструменты поддержки процесса разработки с использованием SystemC уступают инструментарию классических языков VHDL и Verilog. Это приводит к тому, что SystemC в основном используется как «улучшенный» C++ для описания только высокоуровневых моделей системного уровня с последующим переходом на VHDL или Verilog для описания оптимизированной RTL модели для реального синтеза аппаратуры.

Так же, как и в VHDL и Verilog, основным строительным блоком в SystemC является модуль, который объявляется с использованием ключевого слова SC_MODULE. В модуле могут определяться порты (sc_in, sc_out, sc_inout), данные модуля (включая ссылки на другие модули) и методы. В каждом модуле обязательно должен присутствовать метод-конструктор, который в SystemC обозначается SC_CTOR. Также может объявляться деструктор с использованием обычного синтаксиса C++. Остальные методы делятся на параллельные и обычные (вспомогательные). Обычные методы применяются, как повторно используемые функции для упрощения реализации параллельных методов. Параллельные методы SystemC аналогичны процессам VHDL и Verilog и служат основным средством для описания деталей поведения модели. В SystemC выделяют два основных типа параллельных методов – SC_METHOD и SC_THREAD. Тип метода (обычный или подтип параллельного) указывается в конструкторе модуля. Основное различие между SC_METHOD и SC_THREAD заключается в порядке их исполнения в рамках модели. SC_METHOD запускается в ответ на события из своего списка чувствительности столько раз, сколько раз срабатывает эти события. При этом каждый запуск независим друг от друга в смысле сохранения значений локальных переменных, и выполняется он до конца метода или до явного return. В SC_METHOD нельзя применять функцию wait для динамического контроля над приостановкой процесса. SC_THREAD же запускается только один раз в начале исполнения модели, поэтому обычно реализация SC_THREAD представляет собой бесконечный цикл while(1). Принципиальной особенностью SC_THREAD является возможность использовать функцию wait для приостановки исполнения процесса до наступления заданных условий. При этом управление передается ядру симулятора и возвращается только при наступлении этих условий. Выполнение продолжается со следующей после wait конструкции с сохранением предыдущих значений локальных переменных метода. С точки зрения эффективности симуляции SC_METHOD является более быстрым вариантом SC_THREAD.

В SystemC вводятся следующие основные дополнительные типы данных:

sc_string – строковое представление чисел в различных форматах (например, число -2 может быть представлено как -0d2 (десятичный), 0b1110 (4-х битный двоичный знаковый), 0b0010 (4-х битный двоичный беззнаковый));
sc_int<N>, sc_uint<N> – знаковые и беззнаковые целочисленные типы заданной битовой ширины N;
sc_bigint<N>, sc_biguint<N> – знаковые и беззнаковые целочисленные типы заданной битовой ширины N, превышающей длину значений типа int, который поддерживается на инструментальной машине;
sc_fixed, sc_ufixed и др. – типы данных с фиксированной точкой
sc_logic и sc_lv<N> – 4-х значный бит (1, 0, X, Z) и вектор таких битов соответственно.

Для облегчения описания взаимодействия модулей, кроме портов, в SystemC предлагаются более сложные каналы sc_mutex, sc_fifo и sc_semaphore.

Пример 4 иллюстрирует реализацию простого мультиплексора (см. рис. 1.4) на языке SystemC.

В отличие от VHDL и Verilog, в которых может использоваться интерпретатор описания для моделирования системы, в SystemC задается полная исполняемая модель, и описание на SystemC компилируется в исполняемый файл на инструментальной машине обычным компилятором C++ с использованием специальных библиотек SystemC. В начале симуляции модели, аналогично методу main в С, в SystemC управление передается в метод sc_main(argc, argv), в котором происходит инициализация модулей системы и, в конечном итоге, запуск параллельных процессов инициализированных модулей с помощью функции sc_start(). SC_MODULE (mux) { public: sc_in c, d, e, f; sc_in > s; sc_out mux_out;

SC_CTOR (mux) { SC_METHOD (do_mux); sensitive temp_s = s.read(); switch (temp_s) { case 0: mux_out = c.read(); break; case 1: mux_out = d.read(); break; case 2: mux_out = e.read(); break; default: mux_out = f.read(); } } }

Пример 4. Простой мультиплексор на SystemC.

Содержание раздела