基于SystemC的片上系统交易级设计与实现

论文摘要

片上系统的出现是微电子设计领域的一场革命。从摩尔定律的预言和当前设计方法学的发展趋势来看,21世纪微电子技术领域在芯片级上必然由集成电路向集成系统发展。未来数年内片上系统中的处理器可能成为新的逻辑门,每片芯片中将包含成百上千块处理器,而系统则由一块或多块芯片构成。在设计复杂程度与日俱增而产品面市时间日益缩短的巨大压力下,提高系统设计抽象层次已成为主流解决方案,其典型代表就是系统级设计。交易级设计是目前系统级设计方法学中的重要分支,而SystemC正是该方法有力的实现工具。但目前国内关于交易级设计和SystemC的研究刚刚起步,设计过程中缺乏系统的指导和翔实的理论基础,同样在应用研究方面也少有具体的案例支撑。为解决这些问题,本文详细论述了基于SystemC的片上系统交易级设计原理以及相关模型的实现方法。本文在深入分析SystemC优势和特点的基础上,依据交易级建模理论,采用软件工程方法,设计并实现了片上系统中三套互连架构模型,并结合相关数学理论和建模工具对这些模型进行了详细地仿真分析与验证。其目的一方面是补充并完善交易级设计的理论基础,给出详尽的设计指导,另一方面是建立完整的架构模型以开发实际工程需要的片上系统。论文主要研究成果和特点有以下几方面:①引入基于SystemC的交易级设计方法学解决目前片上系统设计中存在的共性问题,以提高片上系统设计效率和仿真运行速度;②设计并开发三套完整的片上互连架构交易级模型,以满足快速开发不同种类片上系统的实际工程需要;③结合相关数学理论分析与运用为片上系统交易级设计和验证方法学提供理论支撑和新的实现途径;④探讨以SystemC为核心的设计流程中如何兼容其它建模工具,以应对更为复杂的设计与验证。依据本课题研究成果开发的交易级模型已成功应用于相关军工嵌入式系统的仿真和架构探索中,模型使用和运行情况良好、稳定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.1.1 问题的提出
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 片上系统设计方法学的研究现状
• 1.2.2 SystemC 与交易级设计方法学的研究现状
• 1.3 本文研究的目的和研究内容
• 1.3.1 本文研究的目的
• 1.3.2 本文研究的主要内容
• 2 SystemC 与RTL 编程
• 2.1 SystemC 的组成及基本语法
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 SystemC 的体系结构
• 2.1.3 SystemC 类库
• 2.1.4 加法器示例
• 2.2 SystemC 寄存器传输级编程风格
• 2.2.1 电子系统描述层次与可综合的RTL 设计
• 2.2.2 基于SystemC 的RTL 编程风格
• 2.2.3 通用移位寄存器建模
• 2.3 面向状态的RTL 编程方法探讨
• 2.3.1 FSM 基本原理
• 2.3.2 面向状态的RTL 编程
• 2.3.3 时序仿真
• 2.4 本章小结
• 3 基于SystemC 的片上系统交易级设计
• 3.1 交易级建模
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 接口、端口与通道
• 3.1.3 FIFO 建模
• 3.2 通信细化
• 3.2.1 基本概念与细化步骤
• 3.2.2 通道细化
• 3.2.3 插入适配器
• 3.2.4 验证、接口细化与再验证
• 3.3 交易级建模与UML
• 3.4 本章小结
• 4 片上系统交易级模型分析与实现
• 4.1 多处理器片上系统数据队列
• 4.1.1 MPSoC 与数据队列
• 4.1.2 泊松流与数据流交易级分析
• 4.1.3 UML 模型图
• 4.1.4 使用MATLAB 产生输入激励
• 4.2 主从式片上总线
• 4.2.1 片上总线及其类图
• 4.2.2 接口交易级实现
• 4.2.3 主设备交易级实现
• 4.2.4 从设备交易级实现
• 4.2.5 总线交易级实现
• 4.2.6 仲裁器交易级实现
• 4.2.7 任务优先级分配
• 4.2.8 改进型仲裁策略
• 4.3 基于图的片上网络
• 4.3.1 片上网络
• 4.3.2 相关工作
• 4.3.3 片上网络与图的关系
• 4.3.4 图上交易的提出
• 4.3.5 图上交易原理及优势
• 4.3.6 图上交易的实现
• 4.4 本章小结
• 5 交易级模型的仿真与验证
• 5.1 数据队列迟滞理论计算与仿真
• 5.1.1 理论计算
• 5.1.2 仿真结果比较
• 5.2 总线模型仿真与验证
• 5.2.1 仿真模型
• 5.2.2 使用.MAT 文件记录数据
• 5.2.3 仿真结果
• 5.3 图上交易模型的验证与复用
• 5.3.1 片上网络静态分析和验证
• 5.3.2 片上网络模型复用问题探讨
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A：作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B：作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目