Спец курс (Избранные главы VHDL)/SystemC — различия между версиями

Текущая версия на 13:18, 2 декабря 2013

Slide Show

Заголовок

Введение в SystemC.

Автор

Зайцев В.С.

Нижний колонтитул

Спец курс (Избранные главы VHDL)/SystemC

Дополнительный нижний колонтитул

Зайцев В.С., 13:18, 2 декабря 2013

Основы языка SystemC

Слайд:Типы данных (Форматы и способ представления данных)

Слайд:Типы данных (native)

                // Пример типа данных C++ 
 int spark_offset; 
 unsigned repairs = 0 ;            // Count repair
 unsigned long mileage;            // Miles driven
 short int speedometer;            // -20.. 0.. 100 MPH
 float temperature;                // Engine temp in C
 double time_of_last_request;      //Time of bus
 std:: string license_plate;       // Text for license
 const bool WARNING_LIGHT = true;  // Status
 enum compass {SW,W,NW,N,NE,E, SE, S} ;

Слайд:Типы данных (Arithmetic)

                // Пример целочисленных типов данных C++ 
sc_int<LENGTH> NAME...;
sc_uint<LENGTH> NAME...;
sc_bigint<BITWIDTH> NAME...;
sc_biguint<BITWIDTH> NAME...;
// SystemC integer data types
sc_int<5> seat_position=3; //5 bits: 4 plus sign
sc_uint<13> days_SLOC(4000); //13 bits: no sign
sc_biguint<80> revs_SLOC; // 80 bits: no sign

Слайд:Типы данных (Boolean)

                // Пример типа данных SystemC
sc_bit NAME...;
sc_bv<BITWIDTH> NAME...;

• sc_bit и sc_bv могут принимать значения: SC_LOGIC_1 и SC_LOGIC_0.
• Для сокращения типов, можно использовать Log_1 и Log_0 или ‘1’ и ‘0’.
• Над этим типом данных возможно выполнение битовых операций and, or, xor (&,|, ^).
• Для обращения к отдельным битам и массивам [], range().

sc_bit flag(SC_LOGIC_1); // more efficient to use bool
sc_bv<5> positions = "01101";
sc_bv<6> mask = "100111";
sc_bv<5> active = positions & mask;// 00101
sc_bv<1> all = active. and_reduce (); // SC_LOGIC_0
positions. range (3,2) = "00"; // 00001
positions [2] = active[0] ^ flag;

Слайд:Типы данных ( многозначные (ZX10))

                // Пример типа данных SystemC 
sc_logic NAME[,NAME]...;
sc_lv<BITNIDTH> NAME[,NAME ]...;
sc_logic buf(sc_dt::Log_Z);
sc_lv<8> data_drive ("zz01XZ1Z");
data_drive.range (5,4) = "ZZ";// ZZZZXZ1Z
buf = '1';

Слайд:Операторы SystemC

Слайд:Главный модуль MAIN

int main(int argc, char* argv[]) {
BODY_OF_PROGRAM
return EXIT_CODE; // 
}

int sc_main(int argc, char* argv[]) {
//ELABORATION
sc_start(); // <-- Simulation begins & ends
            // in this function!
//[POST-PROCESSING]
return EXIT_CODE; // 
}

Слайд: Модуль

#include <systemc.h>
SC_MODULE(module_name) {
MODULE_BODY
};

Содержит:

• Порты
• Каналы связи
• Объявления переменных для хранения данных
• Другие модули с большей вложенностью
• Конструктор
• Деструктор
• Функции -процессы
• Вспомогательные функции

Слайд: Конструктор (SC_CTOR)

SC_CTOR(module_name)
: Initialization // могут отсутствовать объявления и инициализация сигналов
{
Subdesign_Allocation     
Subdesign_Connectivity
Process_Registration
Miscellaneous_Setup
}

• Объявление под модулей
• Подключение и соединение с подмодулями
• Регистрация процессов на SystemC
• Объявление списка чувствительности
• Разнообразные пользовательские объявления

Слайд: Конструктор (SC_HAS_PROCESS)

//FILE: module_name.h
SC_MODULE(module_name) {
SC_HAS_PROCESS(module_name);
module_name(sc_module_name instname[, other_args…])
: sc_module(instname)
[, other_initializers]
{
CONSTRUCTOR_BODY
}
};

• Все возможности конструктора SC_CTOR
• Альтернативный метод создания модуля
• Позволяет создавать конструктор с аргументами(+ к имени модуля)
• Используется, если желаете расположить конструктор в файле описания .cpp (не в файле .h)

Слайд: Процесс SC_THREAD

SC_MODULE(simple_process_ex) {
   SC_CTOR(simple_process_ex) {
      SC_THREAD(my_thread_process);
   }
   void my_thread_process(void);
};

SC_THREAD в SystemC:

1. аналог initial block в Verilog
2. process без списка чувствительности с оператором wait() в VHDL.

Слайд:Введение времени

Единицы измерения времени

SC_SEC // seconds
SC_MS  // milliseconds
SC_US  // microseconds
SC_NS  // nanoseconds
SC_PS  // picoseconds
SC_FS  // femtoseconds

sc_time t_PERIOD(5, SC_NS) ;
sc_time t_TIMEOUT (100, SC_MS) ;
sc_time t_MEASURE, t_CURRENT, t_LAST_CLOCK;
t_MEASURE = (t_CURRENT-t_LAST_CLOCK) ;
if (t_MEASURE > t_HOLD) { error ("Setup violated") }

Слайд:Запуск выполнения sc_start()

Функция запускающая выполнения главного процесса

Пример запуска моделирования на 60 секунд модельного времени

int sc_main(int argc, char* argv[]) { // args unused
simple_process_ex my_instance ("my_instance");
sc_start(60.0,SC_SEC); // Limit sim to one minute
return 0 ;
}

Слайд:Контроль текущего времени моделирования sc_time_stamp ()

std::cout << " The time is now "
<< sc_time_stamp()
<< "!" << std::endl;

После запуска моделирования в консоли получим

The time is now 0 ns!  

Слайд: Остановка выполнения моделирования wait(sc_time)

Функция останавливающая выполнение процесса до заданного времени или до прихода события

void simple_process_ex::my_thread_process (void) {
wait (10,SC_NS);
std::cout<< "Now at "<< sc_time_stamp() << std::endl;
sc_time t_DELAY(2,SC_MS); // keyboard debounce time
t_DELAY *= 2;
std::cout<< "Delaying "<< t_DELAY<< std::endl;
wait(t_DELAY);
std::cout << "Now at " << sc_time_stamp()
<< std::endl;
}

% . /run_example
Now at 10 ns
Delaying 4 ms
Now at 4000010 ns

Слайд:События sc_event

Слайд:События SC_THREAD::wait()

Процесс SC_THREAD процес выполняющийся один раз!!, для управления работой такого процесса используют функцию задержки выполнения wait

wait(time);
wait(event);
wait(event1 | event2) // до прихода любого из событий
wait(event1 & event2) // до прихода всех событий вместе
wait(timeout, event); // до прихода события ожидает в течении времени
wait ( timeout, event1 | event2 )
wait ( timeout, event1 & event2 )
wait(); // ожидание дельта цикла выполнения, статическая задержка

Слайд:Запуск события (установка,назначение)

Для запуска события используется атрибут .notify()

Он выполняет запуск событий, отсчет времени идет от запуска моделирования. Для сброса точки отсчета используют .cancel()

sc_event action;
sc_time now(sc_time_stamp()); //вытягиваем текущее время моделирования
//стартуем событие немедленно
action.notify();
//следующее событие через 20 ms от текущего момента
action.notify(20, SC_MS);
//переопределим событие на время 1.5 ns от текущего момента
action.notify(1.5,SC_NS);
//продублируем событие (не имеет эффекта)
action.notify(1.5, SC_NS);
//зададим событие от предыдущего на 1.5 ns
action.notify(3.0,SC_NS);
//запустим дельта цикл (не имеет эффекта)
action.notify(SC_ZERO_TIME);
//сбросим время задания события
action.cancel();
//зададим событие на 20 fs после сброса
action.notify(20,SC_FS);

Слайд:Процесс со списком чувствительности SC_METHOD

Аналог process в VHDL

SC_METHOD(process_name);

Список чуствительности задаеться после ключевого слова sensitive

 sensitive << event [<< event] ;// поточный стил 
 sensitive (event [, event] ); // стиль с использованием функции

Слайд:dont_initialize()

Отменяет начальную установку значений

• После запуска моделирования конструктор создает модуль и инициализирует все процессы и переменные.

• Это заставляет выполниться всем методам работающим по событию по одному разу во время запуска если событие устанавливалось в значение.

• Для исключения начального выполнения используется функция dont_initialize()

Слайд: Стек событий sc_event_queue

Событие можно задать не только от начального момента времени, а и от текущего.

Для этого используется функция sc_event_queue()

sc_event_queue action;
sc_time now(sc_time_stamp()); 
action.notify(20, SC_MS);
action.notify(1.5,SC_NS);
action.notify(1.5,SC_NS);
action.notify(3.0,SC_NS);
action.notify(SC_ZERO_TIME);
action.notify(1,SC_SEC);
action.cancel_all();

Слайд:Совместное использование ресурсов

• При совместном использовании ресурсов, шин, памяти нужно разграничить область полномочий каждого процесса.
• Иначе при одновременной, к примеру записи будет происходить сбой или некорректная запись.

sc_mutex NAME;
// блокируем mutex NAME (ждем пока разблокируется)
NAME.lock();
// Возвращает статус состояния блокировки
NAME.try lock()
// Снимает блокировку
NAME.unlock();

Если управлением доступом к нескольким ресурсам

sc_semaphore NAME(COUNT);
// блокируем mutex NAME (ждем пока разблокируеться)
NAME.wait();
// Возвращает статус состояния блокировки
NAME.trywait()
//Возвращает число свободных ресурсов
NAME.get_value()
// Снимает блокировку
NAME.post();

Слайд:Иерархия и структура проекта

Слайд:Иерархия и структура проекта (sc_main)

Подключение и создание модуля внутри главного модуля аналогично созданию объекта заданного класса Стандартная конструкция блока хранения информации для RFID

//FILE: main.cpp
#include "Wheel.h"
int sc_main(int argc, char* argv[]) {
Wheel wheel_FL("wheel_FL");
Wheel wheel_FR("wheel_FR");
sc_start();
}

//FILE: main.cpp
#include "Wheel.h"
int sc_main(int argc, char* argv[]) {
Wheel* wheel_FL; // pointer to FL wheel
Wheel* wheel_FR; // pointer to FR wheel
wheel_FL = new Wheel ("wheel_FL"); // create FL
wheel_FR = new Wheel ("wheel_FR"); // create FR
sc_start();
delete wheel_FL;
delete wheel_FR;
}

Слайд:Иерархия и структура проекта (SC_MODULE)

Подключение и создание модуля внутри другого модуля аналогично созданию объекта заданного класса, внутри другого класса. Поэтому объявления производиться в конструкторе верхнего модуля

//FILE:Body.h
#include "Wheel.h"
SC_MODULE(Body) {
Wheel wheel_FL;
Wheel wheel_FR;
SC_CTOR(Body)
: wheel_FL("wheel_FL"), //initialization
wheel_FR("wheel_FR") //initialization
{
// other initialization
}
};
}

//FILE:Body.h
#include "Wheel.h"
SC_MODULE(Body) {
Wheel* wheel_FL;
Wheel* wheel_FR;
SC_CTOR(Body) {
wheel_FL = new Wheel("wheel_FL");
wheel_FR = new Wheel("wheel_FR");
// other initialization
}
};
}

Слайд:Порты - точки подачи и снятия внешних воздействий

Слайд:Типы портов

• sc_port - аналог inout порта в языке VHDL
• sc_in - аналог in порта в языке VHDL
• sc_out - аналог out порта в языке VHDL
• sc_export - внешний порт, порт который позволяет получить доступ к private данным модуля, но иерархически модулю не принадлежит.

Механизм использования sc_export порта напоминает доступ к сигналам по иерархии, как в VHDL-2008.

Слайд:Порты - точки подачи и снятия внешних воздействий

Слайд: VHDL и SystemC конструкции

Слайд: Entity

entity soft is
  generic (
    UART_Speed : integer := 115200;   -- UART Speed
    System_CLK : integer := 50000000; -- System CLK in Hz
    comand_file : string :="/home/user/comfile.txt" );
  port (
    CLK      : out  std_logic;                    -- system clk
    RST_N    : out  std_logic;                    -- system reset#    
    DATA_IN  : out  std_logic_vector(7 downto 0); -- Transmit data
    DATA_OUT : in   std_logic_vector(7 downto 0); -- Recieved data
    RX_VALID : in   std_logic;              -- RX buffer data ready 
    TX_VALID : out  std_logic;              -- Data for TX avaible
    TX_BUSY  : in   std_logic;              -- 
    RX_BUSY  : in   std_logic);
end soft;

SC_MODULE (soft_sc_module)
{
  public : 
    sc_in  < sc_logic >  tx_busy;
    sc_in  < sc_logic >  rx_busy;
    sc_in  < sc_lv < 8 > > data_out;
    sc_in  < sc_logic >  rx_valid;
    sc_out < sc_logic >  tx_valid;
    sc_out < bool >  clk;
    sc_out < sc_logic >  rst_n;
    sc_out < sc_lv < 8 > > data_in;
 
  public:
 
    ifstream fin;
 
    SC_CTOR(soft_sc_module)
      : rst_n("rst_n"),
      data_in("data_in"),
      data_out ("data_out"),
      rx_valid("rx_valid"),
      tx_valid("tx_valid"),
      tx_busy("tx_busy"),
      rx_busy("rx_busy"),
      rst_n_i("rst_n_i"),
      clk_i("clk_i"),
      clk("clk")
      { 
      }
    ~soft_sc_module()
      {
	delete [] str_b;
      }
};
#endif

Слайд: Architecture

architecture beh of soft is
  file comfile : text open read_mode is comand_file;
 
begin  -- beh
-- тело архитектуры
  signal str        : string(1 to 1000) := (others => ' ');
  signal RST_N_i    : std_logic;
  signal DATA_IN_i  : std_logic_vector(7 downto 0);
  signal f_get_answer       : boolean := false;
  signal tmd : time := 0 ms;
 
end beh;

SC_MODULE (soft_sc_module)
{
  public :
    std::string comand_file;
  public :
    sc_signal< sc_logic >    rst_n_i;
    sc_signal< sc_lv < 8 > > data_in_i;
    sc_signal < bool > f_get_answer;
    sc_signal < sc_time > tmd;
    sc_time btmd (0, SC_MS);
  SC_CTOR(soft_sc_module)
      : 
      rst_n_i("rst_n_i"),
      data_in_i("data_in_i"),
      f_get_answer("f_get_answer"),
      tmd("tmd")
      { 
       str = new char [1000]; 
//объявление функций 
//выбор списка чувствительности
//установка значений по умолчанию
      tmd.write(btmd);
      // tmd = btmd; 
// оператор присваивания перегружен и
// выолнит вызов функции write
      }
    ~soft_sc_module()
      {
	delete [] str;
      }

Слайд: Generic

entity soft is
  generic (UART_Speed : integer := 115200;   
            System_CLK : integer := 50000000
           );
--
architecture beh of soft is
 CLK_i <=
   not CLK_i after 1 ns * (1e9 / System_CLK );
end beh;

SC_MODULE (soft_sc_module)
{
 public:
    SC_CTOR(soft_sc_module)
      : rst_n("rst_n"),
       tmd("tmd")
      { 
	if (!sc_get_param("System_CLK",System_CLK))
           cout << "error get generic";
	if (!sc_get_param("UART_Speed",UART_Speed))
           cout << "error get generic";
	period_ns=(1000000000)/System_CLK;
	str = new char [1000]; 
     }
    ~soft_sc_module()
      {
	delete [] str_b;
      }
};

Слайд: Process без списка чувствительности

wait_byte_timer: process
begin  -- process wiat_timer
  wait for 0.5 ms;
  if (NOW - tmd) > 1 ms then
    if f_start_get_answer then
      f_byte_timer <= true;
      wait for 0.1 ms;
      f_byte_timer <= false;    
    end if;
  end if;
end process wait_byte_timer;

SC_MODULE (soft_sc_module)
{
 public:
    SC_CTOR(soft_sc_module):
      {	SC_METHOD (wait_byte_timer); }
    ~soft_sc_module()
      {      }
};
void soft_sc_module :: wait_byte_timer ()
{
  next_trigger (0.5,SC_MS);
  if ((sc_time_stamp()-tmd) > sc_time(1, SC_MS) )
    if (f_start_get_answer)
      {f_byte_timer=true;
      next_trigger (0.1,SC_MS);
      f_byte_timer=false;
      }
  cout<< "wait_byte_timer work\n";
}

Слайд: Process со списком чувствительности (пример 1)

 CLK_i <= not CLK_i after 1 ns * (1000000000 / System_CLK );
--или 
process (clk)
begin
if clk'event then
clk_i <= not clk_i after 1 ns * (1000000000 / System_CLK );
end if;
end process;

SC_MODULE (soft_sc_module)
{
 public:
    SC_CTOR(soft_sc_module):
      {	clk_i=true;
        period_ns=(1000000000)/System_CLK;
        SC_METHOD (clk_gen);
      }
    ~soft_sc_module()
      {      }
};
 
void soft_sc_module :: clk_gen ()
{ 
  clk_i.write(!clk_i.read());
  next_trigger (period_ns, SC_NS);
 
}

Слайд: Process со списком чувствительности (пример 2)

  RST_N <= RST_N_i;
--или 
process (RST_N_i)
begin
if RST_N_i'event then
  RST_N <= RST_N_i;
end if;
end process;

SC_MODULE (soft_sc_module)
{
 public:
    SC_CTOR(soft_sc_module):
      {	clk_i=true;
	SC_METHOD (rst_n_i2rst_n);
	sensitive << rst_n_i;
	dont_initialize();
      }
    ~soft_sc_module()
      {      }
};
 
void soft_sc_module :: reset_gen ()
{ 
  rst_n_i.write( SC_LOGIC_0 );
  wait (100, SC_NS);
  cout << "run reset";
  rst_n_i.write( SC_LOGIC_1 );
}

Слайд: Работа с файлами

  p_send      : process
   variable l : line;
   variable byte_r : std_logic_vector(0 to 7);
   variable good : boolean;
   variable f_first_byte : boolean:=false;     
  begin  -- process p1
 
    loop1: while not endfile(comfile) loop
 
      readline (comfile,l);
      skip_space (l);                  
      next loop1 when l'length = 0;     
 
      for i in 1 to l'length loop
        str(i) <= l(i);
      end loop;  -- i
      str((l'length)+1 to 1000) <= (others => ' ');
      str_l <= l'length;

 
      if l(1) = '#' then                
        assert false report "коментарий:"&str(1 to str_l) severity NOTE;
      else                              
        assert false report "коментарий"&str(1 to str_l) severity NOTE;
        f_first_byte := true;
        while l'length /= 0 loop
          hread (l,byte_r,good);
          assert good report "ошибка" severity FAILURE;
          if f_first_byte then
            f_first_byte := false;      
            comand <= byte_r;
          end if;
          TX_VALID_i <= '1';
          DATA_IN_i <= byte_r;
          skip_space (l);       
          wait until TX_BUSY = '1';
        end loop;
        f_start_timer <= true;
        TX_VALID_i <= '0';             
        wait until f_get_answer or f_timer;       
        assert not f_timer report "1мкс" severity FAILURE;
        f_start_timer <= false;
      end if;      
    end loop;
  assert false report "======" severity failure;
  end process p_send;

Слайд: Работа с файлами

void soft_sc_module :: p_send ()
{
  fin.open(comand_file.c_str(),ios::out);
  cout << "work4\n";
  bool f_first_byte=false;
  if (!fin){
    std::cout << "File invalide open";
    exit (0);
  }
  while (!fin.eof()){
    fin.getline (str,1000);
    skip_space (&(str));       
    if (strlen(str)){         
      if (str[0] == '#') 
	cout << "koment: "<< str <<endl;
      else {
	cout << "data: "<< str <<endl;
	f_first_byte=true;
	//while ( str[0] != '\0' ){
	while ( strlen(str) ){
	  if ( str[0] == ' ' )
	    skip_space(&(str));
	  else {
	    //cout << "1/2\n";
	    byte_b.range(7,4)=str[0];
	    str++;
	    skip_space(&(str));
	    if (!strlen(str)){
	      cout<<endl<<"error";
	      sc_stop();
	    }
	    else {
	      //cout << "2/2\n";
	      byte_b.range(3,0)=str[0];
	      str++;
              }

 
	    if (f_first_byte){
	      f_first_byte=false;
	      comand=byte_b;
	    }
	    //cout << byte_b << endl;
	    tx_valid_i.write(SC_LOGIC_1);
	    data_in.write(byte_b);
	    wait (tx_busy.posedge_event());
	  }
	}
	f_start_timer = true;
	tx_valid_i.write(SC_LOGIC_0);
	wait ( f_get_answer.posedge_event() | f_timer.posedge_event() );
	if ( f_timer ) {cout << "error";sc_stop();}
	f_start_timer = false;
      }
      }
    str=str_b;
  }
  cout << "error";
  fin.close();
  sc_stop();
}

Слайд: Работа с функциями

entity soft is
end soft;
 
architecture beh of soft is
 
  procedure skip_space (variable l : inout line) is
    variable char : character;
    variable flag : boolean:=true;
  begin  -- skip_space
    while flag loop
      if l'length = 0 then
        flag := false;
      elsif l(1) = ' ' then
        read(l, char);
      else
        flag := false;
      end if;
    end loop;
  end skip_space;
end beh;

SC_MODULE (soft_sc_module)
{
 public:
    SC_CTOR(soft_sc_module):
      {	SC_METHOD (wait_byte_timer); }
 
    void skip_space (char ** str);
    ~soft_sc_module()
      {      }
};
void soft_sc_module :: skip_space (char ** str)
{
  bool flag = true;
 
  while ( flag ) {               //
    if ( !strlen((*str)) )
      flag = false;
    else 
      if ((*str)[0]==' ')
	(*str) += 1;
      else 
	flag = false;
    }    
}

Слайд: Работа с сигналами

Слайд: Конструкции С++

Все конструкции языка С++ разрешено использовать.

  procedure skip_space (variable l : inout line) is
    variable char : character;
    variable flag : boolean:=true;
  begin  -- skip_space
    while flag loop
      if l'length = 0 then
        flag := false;
      elsif l(1) = ' ' then
        read(l, char);
      else
        flag := false;
      end if;
    end loop;
  end skip_space;

void soft_sc_module :: skip_space (char ** str)
{
  bool flag = true;
 
  while ( flag ) {               //
    if ( !strlen((*str)) )
    //if ( (*str)[0] == '\0' ) //EOS
      flag = false;
    else
      if ((*str)[0]==' ')
        (*str) += 1;
      else
        flag = false;
    }
}

Слайд: Управление процессом моделирования (сообщения, запуск останов моделирования)

Для запуска останова и контроля выполнения есть так же встроенные функции.

wait until f_get_answer or f_timer;        --ждем пока придет ответ или пройдет время
assert not f_timer report "превышено время ожидания ответа 1 мс" severity FAILURE;

wait ( f_get_answer.posedge_event() | f_timer.posedge_event() );
if ( f_timer ) {cout << "превышено время ожидания ответа 1 мс";sc_stop();}

Слайд: Запуск моделирования только SystemC описания

Слайд: Запуск моделирования SystemC описания и VHDL(верхний уровень)

Для запуска моделирования:

1. Скачать и установить в корневую дирректорию компилятор gcc-4.2.1-mingw32vc9
2. Если компилятор установлен то переходим на следующий пункт
3. Скомпилировать описание: sccom -work <library>
4. Преобразовать выходной файл в исполняемый sccom -link -work <library>
5. Запустить моделирование без опций оптимизации

   vsim voptargs=+acc work sc_module

Слайд: Запуск моделирования SystemC описания и VHDL(верхний уровень) пример

 vsim -voptargs=+acc work.soft_sc_module

Пример исходника одинаковых описаний на VHDL и SystemC

• Файл:Soft.cpp.pdf
• Файл:Soft.h.pdf
• Файл:Soft.vhd.pdf