基于SYSTEM C的FPGA設(shè)計方法

1、基于system c的fpga設(shè)計方法隨著vlsi的集成度越來越高，設(shè)計也越趨復(fù)雜。一個系統(tǒng)的設(shè)計往往不僅需要硬件設(shè)計人員的參加，也需要有軟件設(shè)計人員的參加。軟件設(shè)計人員與硬件設(shè)計人員之間的互相協(xié)調(diào)就變的分外重要，它挺直關(guān)系到工作的效率以及囫圇系統(tǒng)設(shè)計的成敗。傳統(tǒng)的設(shè)計辦法沒有使軟件設(shè)計工作與硬件設(shè)計工作協(xié)調(diào)全都，而是將兩者的工作割迸裂來。軟件算法的設(shè)計人員在系統(tǒng)設(shè)計后期不能為硬件設(shè)計人員的設(shè)計提供任何的協(xié)助。同時現(xiàn)在有些大規(guī)模設(shè)計中往往帶有 core或其它cpu core。這些都使得單純地用原理圖或硬件描述語言來設(shè)計、這么復(fù)雜的系統(tǒng)變得非常困難。system c就是在這些沖突的背景下提出的。

2、它的浮現(xiàn)為復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計提供了一條有效的解決途徑。system c 是由 synospy inc. 提出的，目前最新的版本為v2.0。它提出的目的就是以一種系統(tǒng)設(shè)計的思想舉行系統(tǒng)設(shè)計。它將軟件算法與硬件實現(xiàn)很好的結(jié)合在一起，提高了囫圇系統(tǒng)設(shè)計的效率和正確性。system c 是一個c+ 庫，也是一種使設(shè)計者可以有效地設(shè)計出一個軟件算法的精確循環(huán)模型，硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)級設(shè)計的辦法。 設(shè)計者可以用system c開發(fā)工具或在標(biāo)準(zhǔn)c+開發(fā)工具中加如system c庫制作系統(tǒng)級模型，迅速地仿真和優(yōu)化設(shè)計，以及討論不同的算法，并且為硬件和軟件設(shè)計人員提供一個設(shè)計系統(tǒng)的可執(zhí)行規(guī)范?？蓤?zhí)行規(guī)范本質(zhì)上是一個c

3、+程序，它顯示了和設(shè)計系統(tǒng)同樣的性能，為軟件設(shè)計人員和硬件設(shè)計人員提供了一個設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。system c 庫提供了制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的必需結(jié)構(gòu)，包括那些在c+沒有的功能如硬件時序，并行和觸發(fā)功能。c+這種面向象語言提供了通過增強類來擴(kuò)展語言的能力，而這種能力是所不具備的。因此，system c用法大家認(rèn)識的c+語言和開發(fā)工具。二、system c的特點system c 支持對硬件和軟件的聯(lián)合設(shè)計，支持描述一個既包含硬件部分也包含軟件部分的復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它也支持對接口的描述，有以下幾個顯著的特點：1system c可以為軟件設(shè)計人員和硬件設(shè)計人員提供一個系統(tǒng)的可執(zhí)行規(guī)范。設(shè)計人員用法該可執(zhí)行規(guī)范可

4、以避開設(shè)計中沖突和錯誤的產(chǎn)生，并確保設(shè)計的完備性。這是應(yīng)為在設(shè)計可執(zhí)行規(guī)范時，系統(tǒng)設(shè)計者必需設(shè)計出也一個和系統(tǒng)具有同樣工作狀態(tài)的程序，通過這個程序可以發(fā)掘出潛在的沖突和錯誤，并將這些沖突和錯誤消退在囫圇設(shè)計的開頭階段，而不是在囫圇系統(tǒng)舉行調(diào)試階段才發(fā)覺和解決這些沖突和錯誤。這個程序還可以協(xié)助設(shè)計者確保囫圇系統(tǒng)設(shè)計的完備性。2設(shè)計人員利用這個可執(zhí)行的系統(tǒng)規(guī)范，還可以發(fā)覺設(shè)計中概念含糊的地方。無論什么時候，設(shè)計人員對設(shè)計產(chǎn)生懷疑，就可以運行這個可執(zhí)行程序以明確在這個問題上系統(tǒng)設(shè)計人員是如何處理的，從而確保系統(tǒng)設(shè)計的正確性。而現(xiàn)在的設(shè)計辦法不能使設(shè)計人員便利快速的解決這些懷疑。甚至這些懷疑是系統(tǒng)設(shè)計

5、人員也不曾考慮過，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)要重新舉行設(shè)計。3在系統(tǒng)設(shè)計被實現(xiàn)以前，設(shè)計人員還可以通過用system c設(shè)計的系統(tǒng)可執(zhí)行規(guī)范來驗證囫圇系統(tǒng)設(shè)計。這樣可以避開因為在系統(tǒng)設(shè)計上的失誤，而使系統(tǒng)實現(xiàn)不能達(dá)到要求?，F(xiàn)在的設(shè)計辦法不能提供這樣的手段在設(shè)計完成前舉行系統(tǒng)的驗證，對系統(tǒng)的驗證必需是在系統(tǒng)設(shè)計完后。即使在完成前舉行驗證，因為不能徹低模擬實際系統(tǒng)的工作，其結(jié)果也只能作為一種參考。4system c設(shè)計的可執(zhí)行規(guī)范所用法的testbench文件可以通過小范圍的修改或挺直用在實現(xiàn)后的系統(tǒng)仿真。這就為設(shè)計實現(xiàn)人員帶來很大的益處，他們不必花無數(shù)的時光去編寫用來驗證明現(xiàn)后系統(tǒng)正確性的testbench

6、文件。而現(xiàn)在采納的設(shè)計辦法所用法的testbench文件卻沒有提供這樣的方便條件。這是應(yīng)為軟件設(shè)計人員和硬件設(shè)計人員兩者的設(shè)計思想和設(shè)計手段都是不同的，一個軟件設(shè)計人員所用法的testbench文件并不能被硬件設(shè)計人員用法，甚至不能給硬件設(shè)計人員任何協(xié)助。三、system c設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計比較現(xiàn)在的系統(tǒng)設(shè)計普通是由系統(tǒng)工程師用c語言或c+語言設(shè)計出一個系統(tǒng)模型，并在系統(tǒng)級層次上檢驗概念和算法。當(dāng)這些概念和算法被檢驗為正確無誤時，c/c+模塊被分解為功能相對自立的子模塊。這些相對對立的子模塊由硬件設(shè)計人員手工地轉(zhuǎn)化為或語言用以硬件實現(xiàn)。這一個設(shè)計流程被顯示在圖1中。圖1從圖1所示的設(shè)計流程中我們

7、可以發(fā)覺以下幾個問題：1人工將cc+程序轉(zhuǎn)換為hdl程序簡單產(chǎn)生錯誤。在現(xiàn)在的這種設(shè)計辦法中，系統(tǒng)工程師先按期望的設(shè)計要求設(shè)計出一個c模塊，并驗證這個模塊使其達(dá)到期望的設(shè)計要求。然后系統(tǒng)工程師所設(shè)計的c模塊被硬件設(shè)計人員手工轉(zhuǎn)換為hdl模塊。這個轉(zhuǎn)換過程不僅簡單產(chǎn)生錯誤，而且還很鋪張時光。這是由于cc+語言和hdl語言有著顯著的區(qū)分。首先，hdl的處理方式比cc+的復(fù)雜。cc+程序采納挨次執(zhí)行的處理方式，而hdl程序中既有挨次執(zhí)行也有并行執(zhí)行的處理方式。要將cc+程序轉(zhuǎn)化為hdl程序必定要引入一些控制信號，由這些信號控制hdl程序的運行，但這樣也簡單產(chǎn)生錯誤。第二，cc+語言不涉及到時序關(guān)系。

8、因為cc+語言不支持對時序的描述，系統(tǒng)工程師設(shè)計的系統(tǒng)模型只是驗證了概念和算法，而只能對時光耗費上有一個也許的估量。這就使得硬件實現(xiàn)時，為滿足系統(tǒng)在時光上的要求，硬件設(shè)計人員必需對軟件算法舉行一定的改造或優(yōu)化。而這些改造或優(yōu)化也有可能引入各種錯誤。2系統(tǒng)模塊和hdl模塊間缺乏聯(lián)系。當(dāng)系統(tǒng)模塊被轉(zhuǎn)換為hdl模塊后，hdl模塊成為囫圇系統(tǒng)設(shè)計的焦點。為適應(yīng)硬件實現(xiàn)的特點，硬件設(shè)計人員會更改系統(tǒng)設(shè)計人員的設(shè)計，但這種更改只是在hdl模塊中舉行，而系統(tǒng)設(shè)計人員設(shè)計的c模塊并沒有因此更改。這就使得系統(tǒng)工程師設(shè)計的c模塊和當(dāng)前硬件設(shè)計人員設(shè)計的hdl模塊缺乏須要的聯(lián)系。當(dāng)硬件設(shè)計人員碰到概念含糊或理解錯誤

9、的地方時，往往不能馬上從c模塊中得到明確的解答。此時，c模塊的設(shè)計人員也不一定能為hdl設(shè)計人員提供有效的協(xié)助。3多系統(tǒng)測試。不但c模塊要轉(zhuǎn)換為hdl模塊，對c模塊的測試也要人工轉(zhuǎn)換為在hdl環(huán)境下的測試。這種轉(zhuǎn)換也很復(fù)雜，而且鋪張時光。hdl設(shè)計人員是按照他所設(shè)計的hdl模塊和系統(tǒng)要求來設(shè)計testbench，這使得硬件設(shè)計人員不行能利用軟件設(shè)計人員所用法的測試文件。同時，hdl人員要設(shè)計出一個好的testbench也需要比較長的時光。為解決在現(xiàn)在設(shè)計流程中所帶來的種種弊端，一種全新的設(shè)計流程被提出，這就是system c設(shè)計流程。它能很好的解決上面所提到的各種設(shè)計弊端，大大提高設(shè)計效率。圖

10、2是system c的硬件設(shè)計流程。圖2這種設(shè)計辦法與現(xiàn)在常用的設(shè)計辦法相比有無數(shù)優(yōu)點：1精煉的設(shè)計辦法。用法system c設(shè)計系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計人員不必花費很大的精力將囫圇系統(tǒng)設(shè)計由c語言描述轉(zhuǎn)換為hdl描述。系統(tǒng)設(shè)計人員可以通過在c模塊中很小的區(qū)域范圍內(nèi)加入須要的硬件和時序結(jié)構(gòu)描述，從而將c模塊便利精確地轉(zhuǎn)化為一個有效的硬件設(shè)計，而避開將另行設(shè)計一個硬件模塊。利用system c設(shè)計辦法，設(shè)計人員可以很輕松地實現(xiàn)一個設(shè)計的更改，或在優(yōu)化算法時檢測出一些設(shè)計錯誤并準(zhǔn)時修改。2單一語言書寫。用法system c設(shè)計系統(tǒng)，囫圇設(shè)計都用一種語言設(shè)計系統(tǒng)，降低了對設(shè)計人員的要求，削減了語言轉(zhuǎn)換時所造成

11、的錯誤。這一優(yōu)點也使得設(shè)計人員可以在一個比較高的層次上舉行系統(tǒng)模塊設(shè)計。在較高層次的設(shè)計會導(dǎo)致產(chǎn)生小的設(shè)計代碼，使設(shè)計和仿真的速度比傳統(tǒng)的設(shè)計辦法要快無數(shù)。這一點是很顯著的。四、system c基本概念1模塊模塊是system c設(shè)計中的基本設(shè)計單元。模塊可以使得設(shè)計者將一個復(fù)雜的系統(tǒng)分割為一些更小但易于管理的部分。system c模塊的功能和作用與hdl語言中的模塊是相類似的，這使得一位習(xí)慣于用hdl舉行設(shè)計的設(shè)計人員可以很簡單的轉(zhuǎn)向用system c舉行設(shè)計。模塊在system c中的關(guān)鍵字為sc_module。緊跟著關(guān)鍵字后的是模塊的名稱，如sc_module(fifo)，這就定義了一個

12、叫fifo的模塊。定義的模塊也可以像hdl語言一樣包含端口、信號、其它模塊、處理過程和結(jié)構(gòu)體，這些單元實現(xiàn)用以實現(xiàn)模塊的功能。通過端口可以將幾個模塊銜接起來。模塊被保存為.h文件。假如在一個模塊中調(diào)用其它模塊，只需像c+中引入庫一樣將要調(diào)用的模塊作為一個庫引入即可。2過程模塊中的處理過程（process）類似于c語言中的子程序，與c語言中的子程序不同的的是它具有hdl語言中的觸發(fā)功能。處理過程（process）的詳細(xì)工作部分被保存為.cpp文件。處理過程的調(diào)用類似于在c語言中子程序的調(diào)用。按照不同的要求，systemc中有三種處理過程。 methods : sc_method() thread

13、s : sc_thread() clock threads : sc_cthread() sc_method是用來描述組合規(guī)律，它由輸入信號的變幻觸發(fā)，但不能在兩次調(diào)用中保存控制狀態(tài)。并且在sc_method中不能包含無限循環(huán)。因為組合規(guī)律有可能導(dǎo)致毛刺的產(chǎn)生，從而影響系統(tǒng)性能，所以sc_method不易太復(fù)雜。下面是一個容易的sc_method例子：sc_module(example) sc_in din;sc_out dout;/端口void inverter();/處理過程聲明sc_ctor(example) sc_method(inverter);sensitive(din);/處理過

14、程由輸入變幻觸發(fā);處理過程inverter如下：void example:inverter() bool internal;internal = din;/輸入數(shù)據(jù)取反后由輸出端口輸出dout = internal;sc_thread是最常用的處理過程，基本上可以用在任何地方。它是由輸入信號的變幻觸發(fā)，但與sc_method不同的是它可以在兩次調(diào)用這保存控制狀態(tài)。它的功能類似于積存器的功能。sc_thread中可以包含有wait()函數(shù)，這使得處理過程可以被掛起。sc_cthread是sc_thread的一種特別狀況。sc_cthread能產(chǎn)生更好的綜合效果。sc_cthread中可以用法wa

15、it()函數(shù)。在不同的狀態(tài)間加入wait()函數(shù)，設(shè)計人員可以用sc_cthread來實現(xiàn)狀態(tài)機(jī)。這種設(shè)計風(fēng)格是簡便的而且簡單理解。sc_cthread只能由時鐘信號沿觸發(fā)，而sc_thread可以由其它非時鐘信號觸發(fā)。假如在時鐘上跳邊觸發(fā)，可以用法pos()函數(shù)，反之用neg()。為進(jìn)一步解釋sc_cthread，下面給出了一個sc_cthread的例子。sc_module(example) sc_in_clk clock;/輸入時鐘sc_in trigger, din;sc_out dout;void invert();sc_ctor(example) sc_cthread(toggler

16、, clock.pos();/時鐘升高沿觸發(fā)void example:invert() bool last = false;for (;) wait_until(trigger.delayed() = true);/等到下個時鐘升高沿 /且trigger=1再執(zhí)行l(wèi)ast = din; dout = last; wait();last =din; dout = last;wait();/下個升高沿才更改數(shù)據(jù)3端口與信號與hdl語言相像，用法system c庫就可以在c程序中加入端口和信號。這些原先c語言中沒有的功能，使設(shè)計更復(fù)合硬件設(shè)計的要求。模塊與模塊之間是通過端口信號加一聯(lián)系。只要兩個端口

17、被銜接在一起，信號就可以在它們之間舉行傳遞。對于這一點習(xí)慣用hdl舉行設(shè)計的設(shè)計人員是很簡單理解和接受的，由于這和hdl中端口的功能是一樣的。 信號只是在一個模塊的內(nèi)部用法，這也是和hdl中信號的使用是全都的。 下面給出端口和信號聲明的例子。sc_in din/ 輸入端口dinsc_out dout/ 輸出端口doutsc_inout q/ 輸入輸出端口qsc_signal i16; /創(chuàng)建一個具有16比特的規(guī)律型信號i4數(shù)據(jù)類型考慮到硬件設(shè)計的要求，system c中也加入了一些硬件設(shè)計中常用的數(shù)據(jù)類型。詳細(xì)如下：sc_int 有符號整數(shù)類型，最大有64個比特位。sc_uint 無符號整數(shù)類型，最大有64個比特位。sc_bigint 有符號整數(shù)類型，隨意比特位，其最大比特位定義在sc_constants.h中。sc_biguint 無符號整數(shù)類型，隨意比特位，其最大比特位定義在sc_constants.h中。sc_bit 二值數(shù)據(jù)，單比特位。sc_logic 四值數(shù)據(jù)，單比特位。sc_bv 二值數(shù)據(jù)，隨意比特位。sc_lv 四值數(shù)據(jù)，隨意比特位。sc_