基于SystemC 的系統(tǒng)驗證研究和應用-設計應用VIP

精品文檔-下載后可編輯基于SystemC的系統(tǒng)驗證研究和應用-設計應用摘要: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迅速發(fā)展，SoC(system-on-chip)設計已經(jīng)成為集成電路設計的發(fā)展方向。隨著SoC設計的復雜度提高，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設計的驗證過程不但影響到芯片的成功設計，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設計的關鍵。

傳統(tǒng)設計中，系統(tǒng)級設計使用語言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VerilogHDL)。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/VerilogHDL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。本文的仿真結(jié)果證明了該設計流程的有效性。

2SystemC語言

SystemC是由C++衍生而來，本質(zhì)是在C++的基礎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，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（RegisterTransmitLevel,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(sensitivelist)共同決定進程的狀態(tài)。

*時鐘信號（clock）時鐘在同步電路設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，對于復雜算法模型只需要建立參考模型(ReferenceModels)，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)。利用事務級建模方法(TLM,TransactionLevelModeling)技術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1SystemC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)構等，不考慮每個時鐘周期寄存器數(shù)值改變。只有針對復雜算法單元使用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鍵。因為在對單個復雜單元系統(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計的修改，提高芯片設計效率。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應用實例

4.1MECU原理

廣泛應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的環(huán)節(jié)。

本文中MECU采用MVFAST(MotionVectorFieldAdaptiveFastMotionEstimation)算法實現(xiàn)ME/MC：ME部分在圖像編碼過程中實現(xiàn)運動預測，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模型用于芯片設計時，由于MECU算法復雜，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上進行外圍模塊設計的驗證，以實現(xiàn)整個芯片的系統(tǒng)級驗證。

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，因此不需要按照的時序建模。在C語言實現(xiàn)MVFAST算法模型基礎上，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。

終建立的SystemC模型和外部環(huán)境定義如圖2所示。

圖2MECU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）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clockcycle，其中ME和MC部分占用11個clockcycle；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clockcycle，其中ME和MC占據(jù)2200個clockcycle。將基于SystemC和Verilog