林炳生，劉君圣

（閩江學(xué)院 物理學(xué)與電子信息工程系，福建 福州 350108）

基于UML-SystemC的協(xié)同設(shè)計方法

林炳生，劉君圣

（閩江學(xué)院 物理學(xué)與電子信息工程系，福建 福州 350108）

系統(tǒng)級SoC的設(shè)計包括硬件和軟件的協(xié)同設(shè)計，涉及物理約束、實時性和并發(fā)等關(guān)鍵問題.本文應(yīng)用UML建模和SystemC語言軟硬件協(xié)同開發(fā)技術(shù)，闡述一種有效的Soc的設(shè)計模式，并通過一個錄音芯片的軟硬件描述，進行仿真實驗.實驗表明這種方法保證了芯片在多組協(xié)同設(shè)計下的兼容性和穩(wěn)定性，很大程度上提高了Soc設(shè)計效率.

UML；SystemC；Soc

1 引言

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已進入SoC(片上系統(tǒng)，System on a Chip）時代，原有的硬件設(shè)計語言難以滿足新的芯片設(shè)計要求.如何提高設(shè)計的對象層次，在較短時間內(nèi)設(shè)計出較高性能的芯片，以及保證芯片在多組協(xié)同設(shè)計下的兼容性和穩(wěn)定性，已經(jīng)成為當(dāng)前最受關(guān)注的問題.目前綜合運用UML的建模能力和高效的軟硬件設(shè)計語言SystemC開發(fā)SoC正成為主要方法.

在傳統(tǒng)SoC設(shè)計中，系統(tǒng)被劃分為軟件和硬件兩大部分，軟件和硬件獨立進行開發(fā)設(shè)計.這樣就無可避免地隱含一些問題，如軟硬件之間的交互受到很大限制、軟硬件之間的相互性能影響造成很難評估和系統(tǒng)集成相對滯后，導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量差、設(shè)計修改難和研制周期不能有效保障，軟件設(shè)計師和硬件設(shè)計師要分別在不同的環(huán)境下對系統(tǒng)測試，影響整個產(chǎn)品的設(shè)計效率.

本文所研究的SoC設(shè)計基于UML和System C，其設(shè)計流程見圖1.在這種設(shè)計模式中，軟硬件在設(shè)計過程中可以隨時進行共同驗證，有效的避免了傳統(tǒng)設(shè)計流程上的問題.System C軟硬件協(xié)同語言是一種系統(tǒng)級描述語言，偏向于高階設(shè)計，避免了SoC設(shè)計中前級設(shè)計方法與系統(tǒng)驗證策略的缺乏，而低階RTL設(shè)計則可以通過開發(fā)工具將System C代碼轉(zhuǎn)為Verilog或System Verilog代碼，再將Verilog可綜合代碼轉(zhuǎn)為電路設(shè)計.UML的每一類圖形都與System C代碼一一對應(yīng)，大大減少代碼出錯率，代碼可以分成多組協(xié)同設(shè)計，大大提高了設(shè)計效率；系統(tǒng)模塊與HDL隨時可以進行共同驗證，聯(lián)系緊密；軟硬件設(shè)計師使用同種環(huán)境進行測試，提高產(chǎn)品設(shè)計效率.

本文對基于UML的SoC設(shè)計方法進行了剖析，給出了新式設(shè)計的整體理念.最后通過一個實例驗證新式設(shè)計模式在片上系統(tǒng)設(shè)計中的科學(xué)性與實用性，證明了該種設(shè)計模式可以保證芯片在多組協(xié)同設(shè)計下的兼容性和穩(wěn)定性，并在很大的程度上提高了設(shè)計效率.

2 基于UML和SystemC 的SoC設(shè)計

2.1 UML在SoC設(shè)計中的應(yīng)用

UML（統(tǒng)一建模語言）是一種可視化的建模語言，用來描述復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu).它具有定義良好、易于表達并支持各個級別的抽象綜合等優(yōu)勢，可以對幾乎任何靜態(tài)結(jié)構(gòu)或動態(tài)行為的系統(tǒng)進行建模，彌補傳統(tǒng)SoC設(shè)計方法的不足，使設(shè)計者能夠?qū)Ｗ⒂谳^高層次上的整體規(guī)劃，而不必過于關(guān)注底層代碼實現(xiàn)細(xì)節(jié).

UML主要由事物、關(guān)系和圖三者構(gòu)造而成.這里的事物主要有類、接口、協(xié)作和用例等，它們是對模型中最具有代表性的成分的抽象;關(guān)系則把各事物結(jié)合起來，在面向?qū)ο蠹夹g(shù)中，主要有依賴、關(guān)聯(lián)、泛化和實現(xiàn)等關(guān)系;而圖是UML建模的最終成果，是聚集了相關(guān)事物的圖形表示，它們能夠清晰地表達系統(tǒng)分析設(shè)計中的復(fù)雜概念，能夠反映不同視角上的系統(tǒng)模型的投影.UML提供了5類圖，其中包括9種圖形，如表1所示：

表1 UML圖的種類

（1）用例圖(use case diagram)從用戶的角度描述系統(tǒng)功能，展現(xiàn)了參與者(人、事物、其他系統(tǒng)等)、用例及他們之間的關(guān)系，將每個系統(tǒng)中的用戶分離并抽象，防止功能重復(fù)和出現(xiàn)多余的類.

（2）靜態(tài)圖包括類圖(class diagram)和對象圖(object diagram).類圖是最常用的UML圖，顯示出類、接口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系，主要用在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的描述.對象圖則實例化了類圖，從實際的或原型化的情景來表達系統(tǒng)的靜態(tài)過程，一般使用它來說明數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、類圖中的類或組件等的實例的靜態(tài)快照.

1.無限制說。該學(xué)說認(rèn)為監(jiān)聽與搜查均屬于干預(yù)隱私權(quán)的強制處分措施，因此可以類推適用《德國刑事訴訟法典》第108條第1款規(guī)定：“在搜查時發(fā)現(xiàn)的物品雖與本案偵查無關(guān)，但卻表明發(fā)生了其他犯罪行為的，要將物品臨時扣押。扣押后應(yīng)當(dāng)通知檢察院?！盵5]以該條為依據(jù)，偶然監(jiān)聽所得材料應(yīng)當(dāng)允許作為證據(jù)。該觀點的理由為，法律雖未對偶然監(jiān)聽所得材料能否作為證據(jù)使用作出規(guī)定，但由于法律將通訊監(jiān)聽與搜查、扣押并列規(guī)定，而監(jiān)聽與搜查、扣押都是對相對人隱私權(quán)進行干預(yù)或侵害的偵查措施，兩者具有相同的法律構(gòu)造，可作相同的解釋，因此，對于偶然監(jiān)聽所得的材料可類推適用搜查、扣押的規(guī)定，允許其作為證據(jù)使用[7]。

（3）行為圖有狀態(tài)圖(statechart diagram)和活動圖(activity diagram)兩種.狀態(tài)圖展現(xiàn)一個實體基于事件反應(yīng)的動態(tài)行為，顯示了該實體如何根據(jù)當(dāng)前所處的狀態(tài)對不同的事件做出反應(yīng)的.活動圖是狀態(tài)圖的一種特殊形式.其中所有或多數(shù)狀態(tài)都是活動狀態(tài)，而且所有或多數(shù)轉(zhuǎn)移都在源狀態(tài)中的活動完成時立即觸發(fā).

（4）交互圖用于描述對象間的交互關(guān)系.其中序列圖(sequence diagram)用來描述對象之間消息發(fā)送的先后次序，闡明對象之間的交互過程以及在系統(tǒng)執(zhí)行過程中的某一具體時刻將會發(fā)生什么事件.協(xié)作圖(collaboration diagram)強調(diào)收發(fā)消息的對象的組織結(jié)構(gòu).協(xié)作圖和序列圖是可以相互轉(zhuǎn)換的.

（5）實現(xiàn)圖包括構(gòu)件圖(component diagram)和實施圖(deployment diagram).構(gòu)件圖描述系統(tǒng)構(gòu)件及各構(gòu)件之間的依賴關(guān)系.實施圖展現(xiàn)了運行時物理節(jié)點以及其中的構(gòu)件的配置等.

將抽象建模結(jié)合到SoC設(shè)計當(dāng)中，大大改進了SoC設(shè)計流程.使用UML對系統(tǒng)進行整體建模，可以對系統(tǒng)的需求、功能和相應(yīng)的行為以圖形化的形式詳盡地描繪，使得系統(tǒng)設(shè)計人員提前對整體設(shè)計有感性認(rèn)識.這種通過UML圖來描述系統(tǒng)軟件模塊，再通過工具生成相應(yīng)C++代碼的SoC設(shè)計方法，使得電路設(shè)計從傳統(tǒng)的代碼編寫提升到系統(tǒng)級建模的層次，改善了SoC設(shè)計的流程，提高了團隊小組間的協(xié)調(diào)合作效率，從而進一步提升SoC的研發(fā)速度.

2.2 SystemC在SoC設(shè)計中的應(yīng)用

SystemC是一種系統(tǒng)級設(shè)計語言，它在C++基礎(chǔ)上添加了硬件擴展庫和仿真核，使之可以建模包括軟件和硬件的電子系統(tǒng).

SystemC以C++作為底層標(biāo)準(zhǔn)，為了具有硬件描述能力，SystemC一方面擴充了核語言，包括Module(模塊)、Process(進程)、Interface(接口)、Port(端口)、Channel(信道)、Signal(信號)、Time(時間)、Event (事件)等;另一方面擴展了12種數(shù)據(jù)類型（DataType），包括有 2個值的邏輯變量(sc_bit，sc_bv)、4個值的邏輯變量(sc_logic，sc_Iv)、1~64位的有 (無)符號整型數(shù)(sc_int，sc_uint )、大于64位的有(無)符號整型數(shù)(sc_bigint，sc_biguint)和定點數(shù)(sc_fixed，sc_ufixed，sc_fix和sc_ufix)等.此外SystemC還提供了用于軟硬件模塊連接的信息傳輸通道(Elementary Channels),包括sc_buffer，sc_fi_fo，sc_signal_rv，sc_semaphore和 sc_ mutex等，方便了系統(tǒng)的模擬驗證.

下面闡述SystemC的幾個重要名詞：

（2）進程(process)：進程是包含在模塊中的用于描述功能的元素，在系統(tǒng)設(shè)計中可以使用進程描述并發(fā)行為.SystemC中有三種進程:Thread Process、Method Process、Clocked Thread Process.它們是相對獨立的線程，通過事件觸發(fā)執(zhí)行，可在指定執(zhí)行點掛起或恢復(fù).

（3）通道(channel)：通道是通信和同步的一個容器，它實現(xiàn)了一個或者多個接口(interface)，接口是訪問通道的方法.同個模塊下不同進程間可以直接使用通道進行通信.

（4）端口(port)：不同模塊間的數(shù)據(jù)通過端口傳遞，兩個模塊的端口指向同一個通道時，便可以利用該通道共享數(shù)據(jù).它有三種模式：sc_in,sc_out, sc_inout.

（5）信號(signal)：信號可以連接各個模塊的端口.

SystemC支持軟硬件協(xié)同設(shè)計，支持在C++的環(huán)境下對軟硬件及相關(guān)接口的描述，支持門級、RTL級、系統(tǒng)級等抽象層次上硬件的建模與仿真.

SystemC語言的特點使得系統(tǒng)設(shè)計人員可以在設(shè)計過程中高效快捷地對軟硬件部分進行協(xié)同驗證，以及時地分析評估系統(tǒng)性能和設(shè)計的正確性,成熟的C++技術(shù)使得協(xié)同驗證速度大幅的提高.如圖2展現(xiàn)了基于SystemC的軟硬件協(xié)同設(shè)計過程.

在一個SoC設(shè)計中，首先進行系統(tǒng)描述，定義系統(tǒng)功能.接著根據(jù)系統(tǒng)功能特點對各個功能模塊的實現(xiàn)方式進行分析，完成軟硬件功能模塊的劃分.劃分后，軟硬件模塊可以并行開發(fā)，軟件模塊用C++實現(xiàn)，硬件模塊由SystemC實現(xiàn).開發(fā)過程中，軟硬件模塊可一同在SystemC庫的支持下隨時進行驗證或仿真，若發(fā)現(xiàn)問題，可以及時作出相應(yīng)調(diào)整或重新劃分軟硬件模塊，直到驗證仿真滿足系統(tǒng)需求.因此，使用SystemC使得設(shè)計人員僅需使用一種開發(fā)環(huán)境，一種開發(fā)語言自由地完成SoC軟硬件總體設(shè)計，不僅縮短了設(shè)計周期，而且降低了硬件設(shè)計部分的復(fù)雜度、減少了代碼量與工作量，總體上提高了開發(fā)設(shè)計的效率.

3 基于UML和SystemC的SoC設(shè)計實例

UML與SystemC的巧妙配合能夠提高SoC設(shè)計效率，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量.在節(jié)中，將以一個錄音芯片為實例，完整的介紹從UML建模到SystemC代碼實現(xiàn)的整個SoC設(shè)計流程.

3.1 UML設(shè)計

一個簡單錄音芯片功能需求有兩個，一是錄制一段聲音，二是播放上次錄制的聲音，據(jù)此即可畫出系統(tǒng)用例圖.對芯片進行系統(tǒng)分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計，將系統(tǒng)劃分設(shè)計為多層級的組合結(jié)構(gòu)，為直觀展現(xiàn)這種層級關(guān)系可以用UML的組合結(jié)構(gòu)圖來設(shè)計，如圖3：

圖3 錄音芯片組合結(jié)構(gòu)圖

Recorder模塊設(shè)計就是一個大模塊，其內(nèi)部含有次層級的Microcontroller、Memory和Keypad三個子模塊，而其中的Mircocontroller子模塊內(nèi)部又含有次層級更小的模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換子模塊.我們還可以用UML的類圖呈現(xiàn)出另一種有空間感的層級關(guān)系.

接著將各模塊進一步細(xì)分，進行線程設(shè)計，在UML中以活動圖來體現(xiàn)線程設(shè)計.將5個模塊進行分解，制作對應(yīng)的活動圖.使用活動圖來表示兩類進程的狀況：一是一個模塊內(nèi)幾個進程的并發(fā)執(zhí)行狀況，另一種是單條進程的執(zhí)行細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)對應(yīng)的就是一段SystemC程序.如圖4、5分別展示了這兩種圖.

經(jīng)過以上的幾個步驟后，我們已經(jīng)將一個芯片由頂而下細(xì)分成了進程，在這種設(shè)計模式下，由于有了UML建模圖，我們可以直觀的知道各個模塊之間的關(guān)系與數(shù)據(jù)流向.例如負(fù)責(zé)Mircocontroller模塊的小組，他們不需要知道Memory模塊如何實現(xiàn).從結(jié)構(gòu)圖中可以知道，他們只需關(guān)心如何從Memory模塊獲得信號、如何向Memory傳遞信號.負(fù)責(zé)ADCDAC模塊的小組則只需實現(xiàn)模擬數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換.同樣的，負(fù)責(zé)Memroy模塊的小組只是要將數(shù)字信號進行存儲與送出而已.UML建模保證了芯片在多組協(xié)同設(shè)計下的兼容性與穩(wěn)定性，在SoC設(shè)計中發(fā)揮了它的特色.

執(zhí)行各自不同功能的模塊要拼搭成某個具有新功能的模塊，必然少不了相互之間的通信，明確各個模塊、進程之間在執(zhí)行過程中信號的流動對于設(shè)計SystemC代碼來說是很重要的.UML通信圖可以很好的表現(xiàn)出模塊內(nèi)部某一群對象在執(zhí)行過程中的傳遞狀況.

3.2 SystemC代碼實現(xiàn)

有了UML建模后，就可以將程序與圖形一一對應(yīng)，最后拼裝成一個完整的芯片.每個小組獨立進行設(shè)計，只要實現(xiàn)自己負(fù)責(zé)的功能即可，他們唯一關(guān)心的就是與其他模塊之間的通信，有了UML建模的圖形，模塊間的通信就一目了然了.例如Memroy模塊，它與Controller模塊間只有2個相連的端口In與Out，那么在SystemC代碼中，Memroy模塊的頭文件里有這么一段聲明

而在Memroy.cpp文件中，要做的就是獲取In端口傳來的數(shù)據(jù)并存儲以及將存儲的數(shù)據(jù)寫到Out端口.

上訴代碼將讀取In口，如果有數(shù)據(jù)就放到DataBuff數(shù)組中，而最后DataBuff將被綜合成一個存儲器，實際上就是完成了將In口輸入的數(shù)據(jù)存儲的功能.

3.3 芯片仿真

通過SystemC編寫測試平臺進行了芯片仿真.實驗證明，在多個小組獨立設(shè)計的情況下，編寫的main函數(shù)順利的執(zhí)行，實驗?zāi)芊抡娉晒?如圖6，展示了播放過程的仿真結(jié)果，Memory模塊將之前錄好存儲的數(shù)字信號通過端口輸出，DAC模塊接收數(shù)字信號并將其轉(zhuǎn)換為音頻模擬信號輸出，給Recorder外層結(jié)構(gòu)接收.

圖6 實驗仿真結(jié)果

4 結(jié)論

UML的圖形表示法不僅直觀性強而且抽象度高，便于隱藏細(xì)節(jié)，凸顯重點，配合SystemC程序語言來填補細(xì)節(jié)，在提高系統(tǒng)效率的同時還保證了系統(tǒng)的創(chuàng)新性,此外系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)效率也能得到大幅度提高.在UML建模后，可將芯片分成多個模塊給不同小組進行協(xié)同設(shè)計，不同組間可以不受其他小組約束進行模塊設(shè)計，使用SystemC能夠在設(shè)計開發(fā)過程中對多個不同模塊進行協(xié)同驗證與仿真，以及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，減小返工率.

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A

1673-260X（2012）07-0023-04

福建省2010大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃資助項目(mjcx1001)