隨著集成電路設(shè)計(jì)和工藝的不斷發(fā)展,，人們已經(jīng)可以把復(fù)雜的電子系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上,，即片上系統(tǒng)SoC(System on Chip)。SoC的設(shè)計(jì)以應(yīng)該是一個(gè)軟件,、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的過程,，而傳統(tǒng)的以寄存器傳輸級(jí)(RTL)建模為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，只有在全部的硬件設(shè)計(jì)完成后才能進(jìn)行軟件測(cè)試和系統(tǒng)集成,，降低了開發(fā)的效率,，延長(zhǎng)了產(chǎn)品面市的時(shí)間。
    近來,，為了解決上述問題,，國(guó)內(nèi)外提出了很多不同的方法。其中,，電子系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)（ESL）被認(rèn)為是用來解決諸如系統(tǒng)級(jí)仿真和驗(yàn)證,、架構(gòu)探測(cè)、片上總線設(shè)計(jì)和系統(tǒng)性能評(píng)估等系統(tǒng)級(jí)問題最有前途的一種方法,。ESL的關(guān)鍵就是用事務(wù)級(jí)建模（TLM）來建立一個(gè)SoC系統(tǒng)的模型,。所謂事務(wù)，一方面指把低層次的信息傳輸組合成較高級(jí)別的傳輸,，例如把讀寫一大塊數(shù)據(jù)作為一個(gè)事務(wù),，包含總線上的若干次突發(fā)傳輸,，每個(gè)突發(fā)傳輸又會(huì)包含地址連續(xù)的多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸,；另一方面指不牽涉具體的信號(hào)，而是把傳輸中涉及到的信息分類作為整體表示,。在事務(wù)級(jí)的傳輸機(jī)制可以通過信道來完成,，模塊之間的通信則可以通過調(diào)用接口函數(shù)來完成,，這樣可以大大提高仿真的速度[1]。
    在事務(wù)級(jí)建模領(lǐng)域,，國(guó)內(nèi)外做了大量的研究,。OSCI組織推出的SystemC語言為SoC的事務(wù)級(jí)建模提供了良好的語言支持，Synopsys公司已經(jīng)推出AMBA的事務(wù)級(jí)模型,。國(guó)內(nèi)在事務(wù)級(jí)建模方面也取得了一些成就[2-3],。國(guó)芯CLB總線具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)傳輸性能和可擴(kuò)展性，因此,，它具有很強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿?。但是，如何建立CLB周期精確的事務(wù)級(jí)模型仍是一個(gè)有待解決的問題,。
1 CLB事務(wù)級(jí)模型的建立
1.1 建模語言
    本文采用SystemC建立國(guó)芯CLB總線的事務(wù)級(jí)模型,。SystemC在C++的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，可以支持門級(jí),、RTL級(jí)和系統(tǒng)級(jí)等不同抽象層次的建模和仿真,。在SystemC TLM 2.0中，定義了非定時(shí)模型,、近似定時(shí)模型,、松散定時(shí)模型和周期精確定時(shí)模型，分別用于滿足不同級(jí)別精度的需要,，并且支持多個(gè)時(shí)鐘之間的任意相位關(guān)系[4],。同時(shí)，SystemC具有所有硬件描述語言所共有的基本特征,，包括模塊,、進(jìn)程、端口和信號(hào)等,，這使得SystemC可以很好地完成CLB的事務(wù)級(jí)建模,。
1.2 CLB總線
    CLB總線是基于我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的32位RISC嵌入式CPU-C*Core的SoC平臺(tái)中使用的層次化片上總線體系結(jié)構(gòu)[4]研制的。CLB總線采用了高效的流水線 (Pipeline)結(jié)構(gòu),，能在讀寫數(shù)據(jù)的同時(shí)產(chǎn)生下一訪問的地址信號(hào),；總線支持字節(jié)、半字和字三種類型的數(shù)據(jù)傳輸;總線接口支持C*Core和系統(tǒng)中的其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)同步傳輸,內(nèi)部分布的時(shí)鐘信號(hào)用來提供邏輯時(shí)序,。
　　圖1所示為CLB的工作示意圖,，其中BCU（Bus Control Unit）相當(dāng)于總線仲裁器，由它控制總線的使用權(quán),；Slave0,、Slave1的選擇由CLB內(nèi)部的地址譯碼邏輯完成。

1.3 CLB的VCI封裝及建模的設(shè)計(jì)
     IP（Intellectual Property）是構(gòu)成SoC的基本單元，IP的復(fù)用可以有效縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間,、減少產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間,、降低產(chǎn)品的開發(fā)成本。因此,，IP復(fù)用是SoC設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的組成部分,。為了增加CLB總線模型的可復(fù)用性，本文對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的VCI封裝,。根據(jù)VCI協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)[5],本文將CLB的VCI封裝設(shè)計(jì)成BCU,、CLB Initiator Wrapper和CLB Target Wrapper三個(gè)部分，如圖2所示,。

    圖中BCU負(fù)責(zé)總線的控制部分,，包括總線的仲裁和地址譯碼。地址譯碼部分通過存儲(chǔ)器映射機(jī)制完成,，每一個(gè)從設(shè)備都有一個(gè)屬于它自己的存儲(chǔ)器映射地址,。這樣，通過總線上的地址就可以很容易地確定所需要選擇的從設(shè)備,。Initiator Wrapper的作用則是把接收到的外部VCI信號(hào)轉(zhuǎn)換成為能夠在CLB總線上進(jìn)行傳輸?shù)腃LB總線信號(hào),。這就涉及到不同協(xié)議之間信號(hào)時(shí)序的轉(zhuǎn)換與匹配的問題。對(duì)此,，本文采用以下策略：(1)對(duì)于協(xié)議兩側(cè)功能相同,、時(shí)序上無差別的信號(hào)，將其直連,； (2)對(duì)于協(xié)議兩側(cè)功能有對(duì)應(yīng)關(guān)系,、時(shí)序上無差別的信號(hào)，采取組合邏輯的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換,；(3)對(duì)于協(xié)議兩側(cè)功能上有對(duì)應(yīng)關(guān)系而時(shí)序上又有一定差別的信號(hào),，采用有限狀態(tài)機(jī)的方法對(duì)其進(jìn)行時(shí)序的轉(zhuǎn)換； (4)對(duì)于協(xié)議兩側(cè)無對(duì)應(yīng)關(guān)系的信號(hào),對(duì)其進(jìn)行舍去或者懸空處理[6],。
    在進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí),，如果采用同一時(shí)鐘進(jìn)行轉(zhuǎn)換，會(huì)導(dǎo)致CLB總線上信號(hào)時(shí)序與實(shí)際的時(shí)序有較大的差異,。為了保證系統(tǒng)模型時(shí)序的周期精確,，本文采用多時(shí)鐘技術(shù)，將系統(tǒng)時(shí)鐘和控制總線的時(shí)鐘分離,，并采用一個(gè)四倍于系統(tǒng)時(shí)鐘的虛擬時(shí)鐘來控制總線狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,。這樣，可以使有限狀態(tài)機(jī)能夠有充足的時(shí)間進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換,，也能保證時(shí)序的周期精確,。
　 在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)由transition()和genMealy()兩個(gè)方法來描述。其中transition()方法根據(jù)狀態(tài)機(jī)中寄存器的當(dāng)前值和從輸入端口得到的值來計(jì)算寄存器下一時(shí)刻的值,并可用來控制狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,；而genMealy()方法則根據(jù)狀態(tài)機(jī)內(nèi)部寄存器的值和輸入端口的輸入值來計(jì)算輸出端口的輸出信號(hào)的值，并可用來產(chǎn)生狀態(tài)機(jī)的輸出,。同樣Target Wrapper也可以采用相同的策略來實(shí)現(xiàn),。
2 仿真驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)
　 在完成了對(duì)CLB的事務(wù)級(jí)建模后，將對(duì)其進(jìn)行仿真和驗(yàn)證,。本文采用的驗(yàn)證環(huán)境為SoCLib平臺(tái),。SoCLib平臺(tái)是一個(gè)由法國(guó)TIMA Lab、Lip6等研究機(jī)構(gòu)與STMicroelectronics等知名企業(yè)聯(lián)合開發(fā),、用于多核SoC系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的開放式ESL建模仿真平臺(tái),。
    本文所建立的基于SoCLib的仿真驗(yàn)證平臺(tái)如圖3所示。其中,，CLB/VCI和BCU組成整個(gè)SoC的片上總線,，它帶有標(biāo)準(zhǔn)的VCI接口協(xié)議的封裝，負(fù)責(zé)整個(gè)SoC的通信工作,；C*Core ISS是C*Core的指令集仿真器,用來執(zhí)行編譯好的C*Core的程序代碼,；RAM是整個(gè)SoC的片上存儲(chǔ)器,用來存儲(chǔ)編譯好的程序；TTY是一個(gè)虛擬的可視化終端,，可用它來觀察程序運(yùn)行的結(jié)果,；TIMER則是一個(gè)定時(shí)器，用來記錄程序運(yùn)行的時(shí)間,，便于性能分析,。所有這些模塊均帶有標(biāo)準(zhǔn)的VCI接口協(xié)議的封裝。

    系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),，首先將編譯好的程序代碼加載到RAM中,，通過總線將RAM中的指令傳輸?shù)紺*Core ISS仿真器，最后,，C*Core ISS通過總線將運(yùn)算結(jié)果輸出到TTY上,，同時(shí)，TIMER完成程序運(yùn)行時(shí)間的計(jì)時(shí)工作,。
3 結(jié)果分析
    利用搭建好的SoCLib平臺(tái),，對(duì)所建立的CLB模型進(jìn)行了大量仿真和測(cè)試，其結(jié)果表明CLB模型的功能完全正確,。為了驗(yàn)證所建立模型與實(shí)際波形在時(shí)序周期上是否精確,，可在頂層配置文件加入產(chǎn)生波形文件的語句，并用這些語句將仿真信息輸出到一個(gè)擴(kuò)展名為.vcd的文件中,。最后,，利用Debussy將SoCLib仿真產(chǎn)生的波形文件與國(guó)芯公司提供的CLB的RTL級(jí)的仿真平臺(tái)NCVerilog產(chǎn)生的波形文件進(jìn)行比較。其仿真波形對(duì)比如圖4所示。

    從圖中可以看出,，在第一個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿,，處理器核將所有訪問的地址(0x80001234)及所要進(jìn)行的操作(讀/寫)置于總線上，并在第二個(gè)時(shí)鐘周期到所需要的數(shù)據(jù)(0x12345678),。而在SoCLib平臺(tái)上,，由于采用了多時(shí)鐘的方法控制CLB的傳輸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此能夠做到周期精確,。此外,，兩個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行相同的國(guó)芯公司提供的測(cè)試程序所用的時(shí)間如表1所示。

    從表中可以看出,，由于在SoCLib平臺(tái)上事務(wù)級(jí)總線每次的讀,、寫均是以事務(wù)進(jìn)行，NCVerilog平臺(tái)上的總線則是按位進(jìn)行的,因此SoCLib平臺(tái)的仿真速度要比NCVerilog平臺(tái)的仿真速度快很多,。
    與寄存器傳輸級(jí)(RTL)模型相比,CLB總線事務(wù)級(jí)模型(TLM)是在更高的抽象層次對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行建模,，相比RTL模型更容易開發(fā),在設(shè)計(jì)初期就可得到系統(tǒng)的硬件模型，并且事務(wù)級(jí)平臺(tái)的仿真速度要比RTL級(jí)快很多,，因此該模型非常適合于架構(gòu)和性能分析及早期的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,。另外，對(duì)CLB進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的VCI協(xié)議的封裝,，提高了CLB模塊的復(fù)用性,，也可以為SoCLib提供一種新的片上總線的模型；同時(shí),，此次建模也是首次對(duì)國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)CPU的片上總線CLB的事務(wù)級(jí)建模,，對(duì)推動(dòng)我國(guó)自主CPU的發(fā)展和使用具有重要的意義。
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