【SystemC初认识】SystemC是什么？有哪些主要组件？如何简单使用？
1 SystemC简介
- SystemC 是一种基于 C++ 的硬件描述语言（HDL），常用于硬件系统的建模、仿真以及验证；
- 允许开发者在一个系统级别（即硬件和软件的结合）上描述和模拟复杂的系统；
- SystemC 既适用于硬件设计，也适用于嵌入式软件开发；
- SystemC 的核心在于其基于 C++ 的编程模型，它扩展了 C++ 的特性，使其能够进行硬件系统建模；
- SystemC 提供了一些类和库，以便开发者描述硬件组件、模块之间的交互以及时间上的顺序。
以下是介绍 SystemC 的使用方法，涵盖其基本概念、建模方式、仿真过程等。
2 主要组件
| 组件 | 说明 |
|---|---|
| 模块（Module） | 在 SystemC 中，一个硬件系统通常是由多个模块组成的。每个模块可以包含输入、输出端口，提供功能实现等 |
| 端口（Port） | 端口用于连接模块，支持信号传递。SystemC 支持两种主要的端口类型：输入端口和输出端口 |
| 信号（Signal） | 信号是模块之间传输数据的主要方式，类似于硬件电路中的线 |
| 进程（Process） | 进程描述了模块中执行的行为，它可以是 SC_METHOD 或 SC_THREAD 类型 |
3 关于时序与调度
- SystemC 中的仿真基于事件驱动的模型，类似于硬件中的时钟周期。仿真器通过调度进程来驱动系统的演化。
4 如何安装
4.1 安装C++编译器
- 在使用 SystemC 之前，安装 SystemC 库；
- 安装 C++ 编译器和工具：
sudo apt-get install g++ make
4.2 安装SystemC 库
- 下载 SystemC 库：
wget https://github.com/accellera-official/systemc/archive/refs/tags/3.0.1.tar.gz
- 解压并进入目录：
tar -zxvf 3.0.1.tar.gz
cd systemc-3.0.1
- 编译和安装 SystemC
./configure
make
sudo make install
5 SystemC代码示例
以下代码来源于网络：
#include <systemc.h>
SC_MODULE(AndGate) {
sc_in<bool> a, b; // 输入端口
sc_out<bool> y; // 输出端口
// 定义一个方法进程
void do_and() {
y.write(a.read() && b.read()); // 输出为输入的与运算结果
}
// 构造函数，绑定进程
SC_CTOR(AndGate) {
SC_METHOD(do_and);
sensitive << a << b; // 当 a 或 b 发生变化时，执行 do_and
}
};
int sc_main(int argc, char* argv[]) {
// 创建信号
sc_signal<bool> sig_a, sig_b, sig_y;
// 实例化与门模块
AndGate and_gate("AndGate");
// 连接信号与模块端口
and_gate.a(sig_a);
and_gate.b(sig_b);
and_gate.y(sig_y);
// 激活仿真
sc_start(1, SC_NS); // 运行 1 纳秒的仿真
// 设置输入信号并再次运行仿真
sig_a.write(true);
sig_b.write(false);
sc_start(1, SC_NS);
// 输出结果
cout << "Output: " << sig_y.read() << endl;
return 0;
}
- 说明：
| 代码 | 说明 |
|---|---|
| SC_MODULE | 定义一个硬件模块 AndGate |
| sc_in 和 sc_out | 用于定义输入和输出端口 |
| SC_METHOD | 声明一个方法进程，表示该方法在指定的端口发生变化时被触发 |
| sensitive << a << b | 声明一个方法进程，表示该方法在指定的端口发生变化时被触发 |
| sc_signal | 信号，用于连接模块和模块之间的端口 |
6 关于SystemC 仿真与调度
- SystemC 仿真通常在 sc_main() 函数中进行，sc_start() 用来启动仿真；
- 系统中的每个模块可以通过进程定义自己的行为；
- 仿真是通过事件调度机制执行的，所有的进程都是通过事件的触发来进行调度的。
- sc_start()：启动仿真，并指定运行的时间，例如 sc_start(10, SC_NS) 会模拟 10 纳秒的时间；
- SC_METHOD 和 SC_THREAD：这两种进程类型用于定义模块的行为；
- SC_METHOD 是事件驱动的，SC_THREAD 可以创建一个独立的线程，支持更复杂的时序控制。
7 SystemC 中的常用类和函数
| 函数 | 说明 |
|---|---|
| sc_signal | 用来定义信号，类似于硬件中的总线或线 |
| sc_clock | 定义时钟信号 |
| sc_time | 表示仿真中的时间，通常用于设置仿真时长和周期 |
8 常见的设计模式
在 SystemC 中，你可以使用以下几种设计模式：
- 数据流模式：适用于需要数据传递的系统，模块之间通过信号传递数据；
- 行为描述模式：适用于描述系统内部的功能操作，例如使用进程描述计算和控制逻辑；
- 结构化设计模式：通过模块化、层次化设计，系统能够更加清晰、易于管理。
9 更复杂的仿真
- 对于更复杂的仿真，你可以使用 SystemC 的调度机制来控制仿真时间。例如，使用 sc_event 处理不同模块之间的事件和同步。
sc_event event1;
SC_THREAD(thread_function);
- 在一个多进程的仿真中，可以使用事件进行进程间的同步，以确保不同模块按照特定顺序执行。
10 调试和验证
在仿真过程中，可以使用 std::cout 输出信息进行调试，还可以使用波形生成工具（例如 VCD 文件）进行可视化调试。生成波形文件：
sc_trace_file *wf = sc_create_vcd_trace_file("waveform");
sc_trace(wf, sig_a, "A");
sc_trace(wf, sig_b, "B");
sc_trace(wf, sig_y, "Y");
11 高级功能
SystemC 还支持多种高级功能，包括：
- SystemC TLM（Transaction-Level Modeling）：用于高层次的系统建模，支持更高效的仿真；
- 系统级仿真：可以结合其他工具（如硬件仿真器、软件工具链）进行综合仿真。