SystemC中文教程一

SystemC是什么

首先， SystemC不是一门新的语言，而是基于C++开发的library；因此，你所熟悉的C++知识都可以在SystemC建模时使用；理论上来说，SystemC library和常见的boost库没有任何本质差别。此外，这也告诉我们只需一个支持C++的环境，我们就可以进行SystemC建模和仿真，无需任何其他工具，这相比其他软硬件建模语言来说，所需环境极其简单。

注：最常见的硬件描述语言Verilog，它的仿真需要仿真工具支持，如VCS、modelsim等，它们都是价格昂贵的EDA工具，且使用复杂。

其次，SystemC是由Accellera组织拥有的开源库，它使用Apache 2.0开源协议；Apache2.0协议是一种对商业应用友好的许可，所以，不论用户用之开发的产品是否商用，都可以放心使用，不用担心侵权行为。

但是，SystemC是干什么用的呢？SystemC的命名已经表明了它的用途，它是一种系统建模语言；我们常常用系统来形容复杂的东西，一台电脑、一块芯片、一个公司都可以称之为一个系统。系统有很多特征，如模块化、并行性、通信机制、规则下办事等等。以电脑为例，CPU、GPU、内存、显示器等都是一个个独立的模块，各自完成各自的任务；它们总是并行工作，同时又通过接口相互通信。如何为一个系统建模呢？原生的编程语言都是串行执行的，无法建模并行系统；即使你建模了一个系统，但最终都要在CPU上跑仿真，而CPU总是串行执行的。我们知道，硬件是大量并行运行单元的组合，必须能够支持对并行操作的模拟；SystemC正是为此而生，为软硬件系统建模提供了强有力的支持。

总结：SystemC是一个支持系统建模的开源的C++ library；

SystmeC的作用

现代的芯片总是包含硬件和软件，软件部分可以是固件或者驱动；芯片市场是一个充满竞争的市场，几乎所有的芯片公司对产品都有严格时间规划；如何让产品尽快面市，如何减少产品bug几乎是所有芯片公司都需要面对的难题。SystemC可以让软硬件并行开发，加快产品面市时间。

如下左图所示，传统的设计流程中在FPGA原型出来之前，硬件和软件开发之间几乎没有交流；只有在经过漫长的“设计-验证-综合”流程后（一般几个月），软件才能在FPGA平台上测试自己的代码，由于软件设计时没有平台测试，此时测试必然有很多错误，这种错误需要修改硬件或软件，并重新迭代，这将浪费大量的时间。在计算机领域，有一个至理名言：越早发现bug，损失就越小。显然，传统的设计流程与此目标不符。

如下右图所示，在软硬件设计之前，先开发抽象SystemC模型（如TLM模型），然后硬件部门将此模型转化为RTL，软件部门在此模型上开发软件。如此一来，软硬件的任何错误都能尽早被发现并修改，大大节省了开发时间。

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常见疑问1：开发SystemC模型不也增加了设计流程时间吗？

答：是的，开发SystemC模型确实需要时间；不过由于C++是高级语言，而且这里的模型不需要精确到clock级别，只需要达到TLM级别，所以开发难度相比与硬件设计验证和软件开发来说非常低，所耗时也是可以忽略的。

常见问题2：为什么不在RTL上开发软件呢？

答：首先，等到一个能运行的RTL出来需要很长的时间；其次，RTL的仿真速度比TLM模型速度慢至少100x倍；所以RTL平台开发软件是不现实的。

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其实SystemC的用途远不止如此，下面大致总结下SystemC的用途：

• 硬件架构探索，建立算法、性能模型；
• 验证工程师作为参考模型（通过DPI接口调用）；
• 设计工程师将其作为design spec，设计RTL；
• 软件工程师作为软件开发的硬件模型；
• 使多种提前测试成为可能；

总结：SystemC模型在芯片前端流程中重用度非常高，几乎可以作为各个部门（架构组，算法组，设计组，验证组，软件组）之间的桥梁，使得部门之间的沟通合作更加有效，大大增加工作效率。

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几种使用SystemC模型的灵活测试案例：

• 验证人员可以提前搭建测试平台（使用SystemC model做DUT）；

在RTL可用之前，将SystemC model封装于System Verilog内，然后作为DUT搭建测试平台，并编写test cases。现在，如VCS等仿真软件已经内置了对SystemC的支持，无需使用DPI接口，就能将SystemC模型封装成System Verilog module。

• 混合仿真

按照上述方法搭建测试平台后，随着一个个模块或IP的RTL设计完成，逐渐用它们替换测试平台中相应的SystemC模型，然后运行测试用例，即可测试真实的RTL。

• 在FPGA平台上使用

虽然SystemC模型仿真速度要比RTL仿真快100x-1000x，但是依然没有FPGA速度快；因此在FPGA平台稳定之后，在FPGA平台上继续开发软件会更加高效。不过FPGA平台昂贵，面积有限，想将整个SOC放进FPGA是不可能的，但是驱动开发往往需要整个SOC的平台，这时可以将SOC的SystemC模型中自己关注的IP模型替换成FPGA实现，其他部分依然使用SystemC模型。

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SystemC的优势

芯片设计前端的流程很长，和芯片前端相关的语言也很多，比如Verilog、VHDL、System Verilog、SystemC、Matlab、C/C++等等，但没有一个语言能够做到适合于整个前端流程，包括本文所说的SystemC也不行；每种语言都有适合使用的领域，只有在整个前端流程的不同节点上选择最合适的语言工具，并加以整合，才能加速产品开发。

注：本图引用自《SystemC: From the Groud Up》

如上图所示，它显示了各种语言工具适合使用的场所，其中：

• Verilog、VHDL主要用于RTL建模，并用来综合生成数字电路；
• System Verilog吸收了Verilog，既能够用于RTL建模，也能用于功能验证，基于System Verilog开发的UVM更是现如今最流行的验证方法学。
• Verie和e语言主要用于对ASIC进行功能验证；
• SystemC则主要用于架构级建模、软硬件建模、行为级建模；
• Matlab则主要用于算法设计、架构设计等。

我们熟知的Verilog/VHDL/System Verilog是最常见的硬件建模语言（更准确的说是硬件描述语言，即HDL），但是众所周知，HDL的开发难度大、故障率高、运行速度慢、与软件语言兼容性差，HDL用于开发RTL非常合适，但是用于抽象程度更高的建模就显得难堪大任。

C++属于高级语言，开发速度快、运行效率高（仅次于C）。考虑到几乎所有的底层软件都是用C/C++开发的，使用C++进行硬件建模，使得软硬件可以在同一种语言开发，从而让软硬件协同仿真更加方便高效。

SystemC library

下图是SystemC的框架图； SystemC的底层是C++及其标准库，当然也可包括其他的C++库，如boost库。

SystemC library包含多种功能，最核心的有如下几项：

• SystemC内核

SystemC内核用于调度SystemC process，其功能和Verilog和VHDL仿真内核非常相似；如果你不了解Verilog仿真内核，也可以认为它和Linux内核相似，只不过比Linux内核简单地多。

• SystemC process

SystemC process是由用户定义的，用来模拟硬件和软件的行为。Process是并行运行的，由SystemC内核调度执行。

• SystemC event

和Verilog仿真内核一样，SystemC内核是事件驱动型内核，所以理解event非常重要；SystemC event是指在特定时间点发生的事件。

• SystemC module

SystemC module用于将建模对象模块化、层次化；

• SystemC channel/interface/port/export

SystemC channel/interface/port/export用于实现模块间的通信；

SystemC中文教程安排

我们将分成6个部分来讨论SystemC，每个部分又包含2-6个课程。

第一部分 SystemC简介

第二部分 SystemC Object和Module

第三部分 SystemC process

第四部分 SystemC通信

第五部分 SystemC其他

第六部分 TLM2.0简介