基于SystemC 的系統(tǒng)驗(yàn)證研究和應(yīng)用

摘要 : 視頻編解碼芯片中運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償單元(MECU)的算法復(fù)雜，使用傳統(tǒng)硬件描述語(yǔ)言建立模型和模型驗(yàn)證的過程繁瑣耗時(shí)，為了縮短芯片驗(yàn)證時(shí)間，本文針對(duì)MECU 模塊提出了基于SySTemC 語(yǔ)言的具體系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證流程。在整個(gè)芯片驗(yàn)證工作中，為了實(shí)現(xiàn)MECU 模塊和低抽象級(jí)的其它外部模塊協(xié)同驗(yàn)證，本文提出的驗(yàn)證流程利用了SystemC 能在不同抽象級(jí)建模的優(yōu)勢(shì)，對(duì)MECU 模塊的數(shù)據(jù)傳輸控制端口進(jìn)行細(xì)化。仿真結(jié)果表明：與使用傳統(tǒng)件描述語(yǔ)言驗(yàn)證方法相比，基于SystemC 的驗(yàn)證流程簡(jiǎn)單有效，大大縮短了建模與驗(yàn)證時(shí)間。

1 引言

當(dāng)前集成電路制造技術(shù)迅速發(fā)展，SoC(system-on-chip)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。隨著SoC 設(shè)計(jì)的復(fù)雜度提高，在開發(fā)SoC 的過程中，驗(yàn)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(jì)的驗(yàn)證過程不但影響到芯片的成功設(shè)計(jì)，而且影響到芯片的上市時(shí)間，因此驗(yàn)證的正確性及其耗時(shí)的縮短成為了SoC 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)使用高級(jí)語(yǔ)言C/C++等描述功能模塊的算法，驗(yàn)證的時(shí)候使用硬件描述語(yǔ)言(VHDL 或Verilog HDL)。系統(tǒng)驗(yàn)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(gè)轉(zhuǎn)換過程耗時(shí)大并且容易產(chǎn)生錯(cuò)誤。在系統(tǒng)驗(yàn)證過程中，使用傳統(tǒng)硬件描述語(yǔ)言對(duì)復(fù)雜模塊的驗(yàn)證需要耗費(fèi)大量時(shí)間。

為了提高系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證效率，本文針對(duì)視頻芯片中的運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償單元模塊(MECU)提出了基于SystemC 的驗(yàn)證方法和流程。該方法大大縮短了系統(tǒng)驗(yàn)證的搭建時(shí)間和系統(tǒng)驗(yàn)證過程的時(shí)間。本文利用SystemC 支持設(shè)計(jì)者在不同抽象級(jí)建模的特點(diǎn)，給MECU 添加了低抽象級(jí)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(gè)芯片的系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。本文最后的仿真結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)流程的有效性。

2 SystemC 語(yǔ)言

SystemC 是由C++衍生而來(lái)，本質(zhì)是在C++的基礎(chǔ)上添加了硬件擴(kuò)展庫(kù)和仿真核，這使SystemC 可以在不同抽象級(jí)對(duì)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(shí)現(xiàn)，進(jìn)行軟硬件的協(xié)同驗(yàn)證。

SystemC 包括以下建模元素：

　　*模塊（module） 相當(dāng)于C++的類定義，是一個(gè)可以多層次的實(shí)體。一個(gè)模塊可以嵌套其他模塊和一些進(jìn)程，是SystemC 里面最基本的單元。

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

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

　　*通道（channel） 實(shí)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(shí)現(xiàn)了該類接口的通道上，通過端口模塊和進(jìn)程來(lái)訪問通道內(nèi)定義的接口方法。

　　*信號(hào)（signal） 用來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)進(jìn)程之間的通訊。SystemC 提供了多種信號(hào)格式來(lái)滿足從寄存器傳輸級(jí)（Register Transmit Level, RTL）到功能級(jí)等不同抽象級(jí)的模擬。

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

　　*時(shí)鐘信號(hào)（clock） 時(shí)鐘在同步電路設(shè)計(jì)中是一個(gè)非常重要的角色，本質(zhì)上它是一種特殊的信號(hào)，為仿真過程提供了時(shí)間基準(zhǔn)。

上述建模元素使得SystemC 能夠順利的搭建硬件平臺(tái)。

3 基于SystemC 的建模方法

系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證過程中，對(duì)于復(fù)雜算法模型只需要建立參考模型(Reference Models)，搭建驗(yàn)證平臺(tái)，觀察模型的一些重要功能(算法、進(jìn)程等等)，不需要了解RTL 層面的細(xì)節(jié)。利用事務(wù)級(jí)建模方法(TLM, Transaction Level Modeling)技術(shù)很容易建立參考模型。一個(gè)完整的芯片是由多個(gè)功能模塊組成，采用SystemC 對(duì)復(fù)雜算法單元建立模型能使功能驗(yàn)證時(shí)間縮短，而一些簡(jiǎn)單模型的驗(yàn)證需要在RTL 層面。為了實(shí)現(xiàn)不同抽象級(jí)模塊通訊，本文對(duì)使用SystemC 建立的復(fù)雜單元模型進(jìn)行接口精細(xì)化處理。本文對(duì)實(shí)際芯片單元提出的SystemC 建模驗(yàn)證流程如圖1 所示：

圖1 SystemC 驗(yàn)證流程

驗(yàn)證流程描述：

（1）搭建SystemC 系統(tǒng)級(jí)模型：

使用基于C＋＋的SystemC 能很容易搭建系統(tǒng)級(jí)模型。利用SystemC 對(duì)所要實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能進(jìn)行描述，主要描述系統(tǒng)的算法、結(jié)構(gòu)等，不考慮每個(gè)時(shí)鐘周期寄存器數(shù)值改變。只有針對(duì)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(yàn)證時(shí)間的優(yōu)勢(shì)。

（2）系統(tǒng)級(jí)功能仿真：

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

（3）精細(xì)化接口：

精細(xì)化接口是多模塊驗(yàn)證過程的關(guān)鍵。因?yàn)樵趯?duì)單個(gè)復(fù)雜單元系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證的時(shí)候，抽象級(jí)很高，只需要考慮其功能性。多個(gè)模塊驗(yàn)證時(shí)外部單元模型可能在RTL 級(jí)別構(gòu)建，這時(shí)需要利用SystemC 能在不同抽象級(jí)建模的優(yōu)勢(shì)，在一個(gè)較大的模塊中實(shí)現(xiàn)不同的抽象層建模，即在和外部模型接口處將抽象級(jí)降低到RTL 級(jí)。精細(xì)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(yán)格按照外部時(shí)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(yàn)證：

驗(yàn)證多個(gè)模塊共同工作的正確性，這時(shí)候發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤就能夠及時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的修改，提高芯片設(shè)計(jì)效率。驗(yàn)證結(jié)果正確的模塊就可以進(jìn)行后端流程，建立的驗(yàn)證平臺(tái)也可以作為外部驅(qū)動(dòng)的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行軟件的驗(yàn)證。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 MECU 原理

廣泛應(yīng)用在手機(jī)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(yùn)動(dòng)估計(jì)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、插值計(jì)算、邊緣填充等步驟，其中運(yùn)動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償部分是實(shí)現(xiàn)壓縮圖像時(shí)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(shí)間, 對(duì)MECU 模塊的驗(yàn)證是整個(gè)芯片驗(yàn)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(shí)現(xiàn)ME/MC：ME 部分在圖像編碼過程中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，計(jì)算出運(yùn)動(dòng)矢量，同時(shí)完成宏塊編碼類型(MBmode)判斷和運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)矢量完成YUV 的插值處理輸出運(yùn)動(dòng)參考?jí)K數(shù)據(jù)和當(dāng)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?jí)K數(shù)據(jù)。

4.2 模塊搭建

采用Verilog 語(yǔ)言直接建立MECU 模型用于芯片設(shè)計(jì)時(shí)，由于MECU 算法復(fù)雜，建模過程耗時(shí)巨大。Verilog 建模期間系統(tǒng)驗(yàn)證工程師需要等待模型建立完成，這樣增長(zhǎng)了芯片設(shè)計(jì)周期，另一方面對(duì)使用Verilog 建立的MECU 模型驗(yàn)證耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。由于基于SystemC的建模時(shí)間相對(duì)Verilog 建模時(shí)間縮短3～4 倍，驗(yàn)證過程具有快速性優(yōu)勢(shì)，本文嘗試采用SystemC 進(jìn)行前期建模和驗(yàn)證工作。

依據(jù)本文第二部分介紹的驗(yàn)證方法，首先建立MECU 硬件仿真模型進(jìn)行功能驗(yàn)證，然后在這個(gè)硬件模型正確的基礎(chǔ)上進(jìn)行外圍模塊設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)芯片的系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。

第一步利用SystemC 對(duì)ME 和MC 分別進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)建模。在建立ME 和MC 這兩個(gè)模塊時(shí)，只需要實(shí)現(xiàn)ME 和MC 各自算法功能和兩個(gè)模塊之間的通訊，因此不需要按照精確的時(shí)序建模。在C 語(yǔ)言實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)。模型建立之后，搭建平臺(tái)進(jìn)行功能驗(yàn)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(yàn)證結(jié)束之后需要協(xié)同芯片中其它模塊進(jìn)行驗(yàn)證，由于MECU的外圍模塊是在RTL 級(jí)建模，并且嚴(yán)格按照時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此必須對(duì)MECU 接口進(jìn)行精細(xì)化。本實(shí)驗(yàn)添加了SYS_IF ,ZSP-IF, DMA-IF 和BPU-IF 模塊以實(shí)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(shí)鐘嚴(yán)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(shí)鐘以及復(fù)位信號(hào)接口，這兩個(gè)控制信號(hào)對(duì)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(hào)來(lái)控制，在MECU 內(nèi)部包含的控制寄存器也由ZSP 來(lái)控制。ZSP_IF 模塊的添加實(shí)現(xiàn)了ZSP 對(duì)MECU 進(jìn)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(shí)現(xiàn)和DMA 通訊，搬運(yùn)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(duì)比）。

從上述結(jié)構(gòu)可以看出，MECU 包括了六個(gè)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(shí)現(xiàn)了MECU 單元的算法，SYS_IF,ZSP_IF, DMA_IF以及BPU_IF 四個(gè)接口模塊由時(shí)鐘嚴(yán)格控制數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)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(jìn)行仿真驗(yàn)證，采用一組352*288 像素的圖像作為仿真對(duì)象，使用Mentor 公司的Modelsim 作為仿真工具。首先建立測(cè)試平臺(tái)，對(duì)外部ZSP，DMA 進(jìn)行模擬以提供控制信號(hào)和處理數(shù)據(jù)，然后利用Modelsim 進(jìn)行仿真驗(yàn)證和時(shí)序分析。Modelsim得到的部分波形圖如圖三所示：

圖三 MECU 驗(yàn)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(shí)序分析結(jié)果表明：使用SystemC 對(duì)圖像的一個(gè)宏塊（16*16 像素）進(jìn)行編碼平均需要680 個(gè)clock cycle，其中ME 和MC 部分占用11 個(gè)clock cycle；用傳統(tǒng)硬件描述語(yǔ)言Verilog 建模進(jìn)行驗(yàn)證一個(gè)模塊的編碼平均需要3000 個(gè)clock cycle，其中ME 和MC 占據(jù)2200 個(gè)clock cycle。將基于SystemC 和Verilog 兩種建模方法的ME 和MC 驗(yàn)證時(shí)間相比較發(fā)現(xiàn)：采用SystemC 進(jìn)行純功能性驗(yàn)證時(shí)間比使用Verilog 驗(yàn)證時(shí)間縮短了約200 倍，因此驗(yàn)證時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)是顯著的。

6 總結(jié)

本文對(duì) SystemC 驗(yàn)證方法進(jìn)行了深入的研究，針對(duì)視頻編解碼芯片MECU 單元的驗(yàn)證提出了使用SystemC 驗(yàn)證的建模流程，通過端口細(xì)化方法使芯片能在不同抽象級(jí)建模驗(yàn)證，這種方法在當(dāng)前國(guó)內(nèi)驗(yàn)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(yǔ)言驗(yàn)證相比時(shí)間顯著縮短。