片上系统设计中的事务级建模方法_石晓郁

常与系统时钟相关， 不引入管脚级的细节， 信息传输
通常以事务的方式建模。
＊ 管脚周期精确 ＰＣＡ（Ｐｉｎ Ｃｙｃｌｅ Ａｃｃｕｒａｔｅ）： 仅用于
模型的接口， 而非内部功能， 定时精确到时钟周期， 通
常与系统时钟相关， 描述精确到管脚级。
＊ 寄存器传输精确 ＲＴ（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｃｃｕｒａｔｅ）：
技
１ 系统级设计与验证简介
片上电子系统的速度和复杂度的不断提高不仅 使得底层的设计实现易于出问题， 而且顶层的系统架 构、通讯机制、软硬件划分等都可能使系统的功能 、性 能或成本、开发周期等指标不满足要求。一旦在 底层 的实现阶段发现了这种顶层的设计问题， 会有大量的 设计工作重新进行； 此外， 工程师对设计规格的理解 偏差， 或设计规格本身的不完整及二义性也是造成设 计错误的原因之一； 底层硬件的设计在验证时需要大 量的输入激励和检验响应， 在信号级完成这样的工作 不但速度很慢而且容易遗漏。
设计分析。通过建立系统级的抽象模型， 执行仿真分
析和评估给出量化的指标， 从而对系统级的功能性能
作出正确的设计， 并在此基础上进行软硬件模块划分。
２ 模型层次
为便于后面叙述的方便， 这里先简要介绍一下系
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片上系统 ＳＯ Ｃ
＊ 系统性能模型 ＳＰＭ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｍｏｄｅｌ）：
是系统的一份含时间信息的可执行规格， 描述系统的
硬件和软件成分。模型接口用不含管脚细节的 ＵＴＦ 或
ＴＦ 方式， 通常描述 通讯协议， 通 讯行为可以 是定时 的
但不一定达到周期精确； 模型功能可用 ＴＦ 或 ＵＴＦ 方
式， 行为用算法来建模， 顺序或并发方式都可以采用，
的模板库和仿真内核构成， 并不断地扩充进有望成为
标 准 的 附 加 库 ， 如 验 证 库 ＳＣＶ、 事 务 级 建 模 库 ＴＬＭ
ＡＰＩ 等。
在基于 ＳｙｓｔｅｍＣ 的 系 统 级 建 模 和 验 证 流 程 中 ， 首
先在顶层建立较高抽象级的模型， 主要用于完成系统
控制与算法的设计分析， 进行物理架构的功能性能的
片 上 系 统 ＳＯＣ
供参考模型和验证平台； 可以作为软件开发的平台， 优化软硬件划分方案。所以事务级的系统硬件可执行 规格又称为可执行平台 ＥＰ（ Ｅｘｅｃｕｔａｂｌｅ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ）。它 是架构精确的， 为软件开发和模块级的验证提供一个 快速全功能的环境。当 ＥＰ 作为底层 ＲＴＬ 模块的测试 平台时， 需要将相应的 ＴＬＭ 模块替换为目标 ＲＴＬ 模 块 与 ｔｒａｎｓａｃｔｏｒ 的 组 合 ， ｔｒａｎｓａｃｔｏｒ 是 ＳｙｓｔｅｍＣ 的 术 语 ， 作用是将一种抽象级的接口转换为另一种抽象级的 接口。
Ｓ ｈｉ，Ｘｉａｏｙｕ
摘要： 本 文 论 述 了 片 上 系 统 设 计 与 验 证 中 存 在 的 一 些 问 题 ， 如 系 统 架 构 探 索 与 评 估 、软 硬 件 协 同 仿 真 等 ， 介 绍 了 用 来 解 决 这
些 问 题 的 可 执 行 规 格 、可 执 行 平 台 、多 抽 象 层 次 混 合 建 模 与 验 证 等 较 新 的 观 念 和 方 法 ， 最 后 着 重 介 绍 了 基 于 软 硬 件 统 一 的
但不必是周期精确的。
＊ 功 能 模 型 （Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ Ｍｏｄｅｌ）： 指 抽 象 级 别 在
ＴＬＭ 之上的模型， 包括 ＳＡＭ 和 ＳＰＭ。
＊ 系统级模型（Ｓｙｓｔｅｍ Ｌｅｖｅｌ Ｍｏｄｅｌ）： 指抽象级别在
ＲＴＬ 之上的模型， 包括 ＳＡＭ、ＳＰＭ 和 ＴＬＭ。
３ 事务级建模方法 ＴＬＭ
事务级建模方法 ＴＬＭ（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ Ｌｅｖｅｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ） 是为了解决以下问题而发展起来的， 这些问题包括提
供软件开发的早期平台； 系统架构探索与验证； 系统 级模型在模块级验证中的应用。它用于建模可执行的 平台， 通常只描述硬件。
所谓事务， 一方面指把低层次的信息传输组合成 的较高级别的传输， 比如把读写一大块数据作为一个 事务， 它包含总线上的若干次突发传输， 每个突发传 输又会包含地址连续的多个数据传输； 另一方面指不 牵涉具体的信号， 而是把传输中涉及到的信息分类作 为整体表示。事务级建模方法把模块的功能和模块间 的通讯分开建模， 模块间通讯用事务来表示， 接口用 不 含 管 脚 细 节 的 ＴＦ 方 式 ， 功 能 也 用 ＴＦ 方 式 ， 是 否 周 期精确根据需要而定。通过提高抽象级别， 并把分散 在各模块中的通讯协议处理功能集成在专门的通讯 模块中完成， 极大地加快了系统仿真的速度。
用的是传统的软件高级语言 Ｃ＋＋、Ｆｏｒｔｒａｎ 等 ， 而底层
的硬件设计用的是硬件描述语言 ＶＨＤＬ、Ｖｅｒｉｌｏｇ， 这样
造成整个设计和验证流程不够顺畅， 各层次之间难以
做到无缝连接； 对于更复杂或运算量非常大的系统，
验证的速度尤其是软硬件联合仿述问题的解决方法是： 规定软硬
同时用于模型的接口和内部功能， 所有的事情都被安
技 排了时间， 时钟用于同步， 需要做完整的详细的功能 说明， 每个寄存器、每条总线、每一位在每个周期的行
术 为都有描述， 能够直接被逻辑综合器综合成硬件实 现， 等同于 ＲＴＬ 模型。
创
应用类型可分为：
＊ 系 统 架 构 模 型 ＳＡＭ （Ｓｙｓｔｅｍ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｍｏｄ－
所有这些都要求我们用跟以往大不相同的方式 看待电子系统的设计流程： 设计规格必须用形式化 的 、语 法 严 格 且 语 义 明 确 的 高 级 语 言 描 述 ； 从 系 统 的 顶层到底层的每一适当的抽象层次都采用合适的高 级语言建立相应的模型； 每一层次的模型都要进行验 证， 并可作为下一层次系统模型的参考模型和子模块 的测试平台。如此， 便可形成一系列可执行的设计规 格（ Ｅｘｅｃｕｔａｂｌｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ）， 并将验证工作左移到 系 统设计的早期阶段， 从而达到消除设计规格的歧义性
新 ｅｌ）： 是系 统 的 一 份 不 含 时 间 信 息 的 可 执 行 规 格 ， 描 述 系统的硬件和软件成分。模型接口用不含管脚细节的
ＵＴＦ 方式， 通常 描 述 通 讯 协 议 ； 模 型 功 能 也 用 ＵＴＦ 方
式， 行为用算法来建模， 且主要以顺序方式描述。此种
模型主要用于架构探索和算法验证。
建 模 语 言 ＳｙｓｔｅｍＣ 的 事 务 级 建 模 方 法 。
关键词： 片上系统；可执行规格；可执行平台；ＳｙｓｔｅｍＣ；事务级建模
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｐ ２５３
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｄｄｒｅｓｓｅｓ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｘｉｓｔｅｄ ｉｎ ＳｏＣ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ， ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｓｏｍｅ ｎｅｗ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ａｎｄ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ
定时不是周期精确的。此种模型主要用于高层次性能
建模和时间预算。
＊ 事务级模型 ＴＬＭ（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ Ｌｅｖｅｌ Ｍｏｄｅｌ）： 用于
建模可执行的平台， 通常只描述硬件。模型接口用不
含管脚细节的 ＴＦ 方式， 可以是也可以不是周期精确
的 ， 数 据 传 输 用 事 务 方 式 建 模 ； 模 型 功 能 用 ＴＦ 方 式 ，
件设计和验证统一的高级描述语言； 规范抽象方式和
级别， 特别是在 ＲＴＬ 之上规范硬件平台的建模方法。
国际上 ＥＤＡ 界经过几年的发展与讨论， 公认最有
前 途 成 为 电 子 系 统 设 计 与 验 证 统 一 语 言 的 就 是 Ｓｙｓ－
ｔｅｍＣ， 它是在 Ｃ＋＋的基础上加上 一套适合于 硬件描述
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（嵌 入 式 与 Ｓ Ｏ Ｃ ）２００６ 年 第 ２２ 卷 第 ２－２ 期
统建模的几种抽象方式和应用类型。
抽象方式可分为：
＊ 非 定 时 功 能 ＵＴＦ（ＵｎＴｉｍｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ）： 可 用 于
模型的接口和内部功能， 进程的执行和数据传输都不
由于电子系统中相当部分的工作是由软件完成， 所以必须确保在应用环境下软硬件能够正确地协同 工作。以前软件中依赖于硬件的部分通常要等到样机 加工好后才能调试， 使得嵌入式软件的完整验证只能 在系统设计周期的后端进行， 此时发现的设计错误通 常要花费较高的修改代价， 特别是那些牵涉到软硬件 划分等系统层次的问题。
软 件 工 程 师 可 以 使 用 处 理 器 指 令 集 仿 真 器 ＩＳＳ （Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ）来测试程序， ＩＳＳ 使用总 线事 务访问外部设备， 总线事务通过总线功能模型连接到 硬件模型， 从而使软硬件测试过程无缝连接。以前的 总 线 功 能 模 型 是 ＰＣＡ， 相 应 的 硬 件 模 型 是 ＲＴＬ， 导 致 仿真速度很慢， 现在通过使用事务作为内部模块间通 信 的 方 式， 总 线 功 能 模 型 是 ＢＣＡ， 相 应 的 硬 件 模 型 是 ＴＬＭ， 软件模型、硬件模型和测试平台可以在较高的抽 象 级 连 接 成 整 体 ， 仿 真 速 度 快 １００ 倍 以 上 ， 并 可 在 设 计 周 期 中 更 早 的 阶 段 与 ＩＳＳ 一 起 作 为 软 件 运 行 的 平 台。具体可见示意图 １。
由 于 高 层 模 型 （如 算 法 模 型 ）的 仿 真 速 度 通 常 要 比 低一层的模型快 １０ 倍或更多， 同时高层模 型可重用 为低层次设计的参考模型， 高层的可执行规格可作为 低层设计模块的验证平台， 因此经常需要将不同层次的 模型混合仿真。把高层模型的对外接口用 ｔｒａｎｓａｃｔｏｒ 形 式转换成低层模型的接口， 就可以连接到整个系统上。