基于SYSTEM C的FPGA設計方法

1．人工將CC++程序轉換為HDL程序容易產生錯誤。在現(xiàn)在的這種設計方法中，系統(tǒng)工程師先按期望的設計要求設計出一個C模塊，并驗證這個模塊使其達到期望的設計要求。然后系統(tǒng)工程師所設計的C模塊被硬件設計人員手工轉換為HDL模塊。這個轉換過程不僅容易產生錯誤，而且還很浪費時間。這是因為CC++語言和HDL語言有著顯著的區(qū)別。首先，HDL的處理方式比CC++的復雜。CC++程序采用順序執(zhí)行的處理方式，而HDL程序中既有順序執(zhí)行也有并行執(zhí)行的處理方式。要將CC++程序轉化為HDL程序必然要引入一些控制信號，由這些信號控制HDL程序的運行，但這樣也容易產生錯誤。其次，CC++語言不涉及到時序關系。由于CC++語言不支持對時序的描述，系統(tǒng)工程師設計的系統(tǒng)模型只是驗證了概念和算法，而只能對時間耗費上有一個大概的估計。這就使得硬件實現(xiàn)時，為滿足系統(tǒng)在時間上的要求，硬件設計人員必須對軟件算法進行一定的改造或優(yōu)化。而這些改造或優(yōu)化也有可能引入各種錯誤。

2．系統(tǒng)模塊和HDL模塊間缺乏聯(lián)系。當系統(tǒng)模塊被轉換為HDL模塊后，HDL模塊成為整個系統(tǒng)設計的焦點。為適應硬件實現(xiàn)的特點，硬件設計人員會更改系統(tǒng)設計人員的設計，但這種更改只是在HDL模塊中進行，而系統(tǒng)設計人員設計的C模塊并沒有因此更改。這就使得系統(tǒng)工程師設計的C模塊和當前硬件設計人員設計的HDL模塊缺乏必要的聯(lián)系。當硬件設計人員遇到概念模糊或理解

3．多系統(tǒng)測試。不但C模塊要轉換為HDL模塊，對C模塊的測試也要人工轉換為在HDL環(huán)境下的測試。這種轉換也很復雜，而且浪費時間。HDL設計人員是根據(jù)他所設計的HDL模塊和系統(tǒng)要求來設計TESTBENCH，這使得硬件設計人員不可能利用軟件設計人員所使用的測試文件。同時，HDL人員要設計出一個好的TESTBENCH也需要比較長的時間。

為解決在現(xiàn)在設計流程中所帶來的種種弊端，一種全新的設計流程被提出，這就是System C設計流程。它能很好的解決上面所提到的各種設計弊端，大大提高設計效率。圖2是System C的硬件設計流程。

這種設計方法與現(xiàn)在常用的設計方法相比有很多優(yōu)點：

1．精煉的設計方法。使用System C設計系統(tǒng)，系統(tǒng)設計人員不必花費很大的精力將整個系統(tǒng)設計由C語言描述轉換為HDL描述。系統(tǒng)設計人員可以通過在C模塊中很小的區(qū)域范圍內加入必要的硬件和時序結構描述，從而將C模塊方便準確地轉化為一個有效的硬件設計，而避免將另行設計一個硬件模塊。利用System C設計方法，設計人員可以很輕松地實現(xiàn)一個設計的更改，或在優(yōu)化算法時檢測出一些設計錯誤并及時修改。

2．單一語言書寫。使用System C設計系統(tǒng)，整個設計都用一種語言設計系統(tǒng)，降低了對設計人員的要求，減少了語言轉換時所造成的錯誤。這一優(yōu)點也使得設計人員可以在一個比較高的層次上進行系統(tǒng)模塊設計。在較高層次的設計會導致產生小的設計代碼，使設計和仿真的速度比傳統(tǒng)的設計方法要快很多。這一點是很顯著的。

四、SYSTEM C基本概念

1．模塊

模塊是System C設計中的基本設計單元。模塊可以使得設計者將一個復雜的系統(tǒng)分割為一些更小但易于管理的部分。System C模塊的功能和作用與HDL語言中的模塊是相類似的，這使得一位習慣于用HDL進行設計的設計人員可以很容易的轉向用System C進行設計。

模塊在System C中的關鍵字為SC_MODULE。緊跟著關鍵字后的是模塊的名稱，如SC_MODULE(fifo)，這就定義了一個叫fifo的模塊。定義的模塊也可以像HDL語言一樣包含端口、信號、其它模塊、處理過程和結構體，這些單元實現(xiàn)用以實現(xiàn)模塊的功能。通過端口可以將幾個模塊連接起來。

模塊被保存為.h文件。如果在一個模塊中調用其它模塊，只需像C++中引入庫一樣將要調用的模塊作為一個庫引入即可。

2．過程

模塊中的處理過程（process）類似于C語言中的子程序，與C語言中的子程序不同的的是它具有HDL語言中的觸發(fā)功能。處理過程（process）的具體工作部分被保存為.cpp文件。處理過程的調用類似于在C語言中子程序的調用。根據(jù)不同的要求，SystemC中有三種處理過程。

● Methods : SC_METHOD()

● Threads : SC_THREAD()

● Clock Threads : SC_CTHREAD()

這種設計流程中我們可以發(fā)現(xiàn)以下幾個問題： 

1．人工將CC++程序轉換為HDL程序容易產生錯誤。在現(xiàn)在的這種設計方法中，系統(tǒng)工程師先按期望的設計要求設計出一個C模塊，并驗證這個模塊使其達到期望的設計要求。然后系統(tǒng)工程師所設計的C模塊被硬件設計人員手工轉換為HDL模塊。這個轉換過程不僅容易產生錯誤，而且還很浪費時間。這是因為CC++語言和HDL語言有著顯著的區(qū)別。首先，HDL的處理方式比CC++的復雜。CC++程序采用順序執(zhí)行的處理方式，而HDL程序中既有順序執(zhí)行也有并行執(zhí)行的處理方式。要將CC++程序轉化為HDL程序必然要引入一些控制信號，由這些信號控制HDL程序的運行，但這樣也容易產生錯誤。其次，CC++語言不涉及到時序關系。由于CC++語言不支持對時序的描述，系統(tǒng)工程師設計的系統(tǒng)模型只是驗證了概念和算法，而只能對時間耗費上有一個大概的估計。這就使得硬件實現(xiàn)時，為滿足系統(tǒng)在時間上的要求，硬件設計人員必須對軟件算法進行一定的改造或優(yōu)化。而這些改造或優(yōu)化也有可能引入各種錯誤。 

2．系統(tǒng)模塊和HDL模塊間缺乏聯(lián)系。當系統(tǒng)模塊被轉換為HDL模塊后，HDL模塊成為整個系統(tǒng)設計的焦點。為適應硬件實現(xiàn)的特點，硬件設計人員會更改系統(tǒng)設計人員的設計，但這種更改只是在HDL模塊中進行，而系統(tǒng)設計人員設計的C模塊并沒有因此更改。這就使得系統(tǒng)工程師設計的C模塊和當前硬件設計人員設計的HDL模塊缺乏必要的聯(lián)系。當硬件設計人員遇到概念模糊或理解  
錯誤的地方時，往往不能馬上從C模塊中得到明確的解答。此時，C模塊的設計人員也不一定能為HDL設計人員提供有效的幫助。 

3．多系統(tǒng)測試。不但C模塊要轉換為HDL模塊，對C模塊的測試也要人工轉換為在HDL環(huán)境下的測試。這種轉換也很復雜，而且浪費時間。HDL設計人員是根據(jù)他所設計的HDL模塊和系統(tǒng)要求來設計TESTBENCH，這使得硬件設計人員不可能利用軟件設計人員所使用的測試文件。同時，HDL人員要設計出一個好的TESTBENCH也需要比較長的時間。 

為解決在現(xiàn)在設計流程中所帶來的種種弊端，一種全新的設計流程被提出，這就是System C設計流程。它能很好的解決上面所提到的各種設計弊端，大大提高設計效率。圖2是System C的硬件設計流程。

這種設計方法與現(xiàn)在常用的設計方法相比有很多優(yōu)點： 

1．精煉的設計方法。使用System C設計系統(tǒng)，系統(tǒng)設計人員不必花費很大的精力將整個系統(tǒng)設計由C語言描述轉換為HDL描述。系統(tǒng)設計人員可以通過在C模塊中很小的區(qū)域范圍內加入必要的硬件和時序結構描述，從而將C模塊方便準確地轉化為一個有效的硬件設計，而避免將另行設計一個硬件模塊。利用System C設計方法，設計人員可以很輕松地實現(xiàn)一個設計的更改，或在優(yōu)化算法時檢測出一些設計錯誤并及時修改。 

2．單一語言書寫。使用System C設計系統(tǒng)，整個設計都用一種語言設計系統(tǒng)，降低了對設計人員的要求，減少了語言轉換時所造成的錯誤。這一優(yōu)點也使得設計人員可以在一個比較高的層次上進行系統(tǒng)模塊設計。在較高層次的設計會導致產生小的設計代碼，使設計和仿真的速度比傳統(tǒng)的設計方法要快很多。這一點是很顯著的。 

SC_METHOD是用來描述組合邏輯，它由輸入信號的變化觸發(fā)，但不能在兩次調用中保存控制狀態(tài)。并且在SC_METHOD中不能包含無限循環(huán)。由于組合邏輯有可能導致毛刺的產生，從而影響系統(tǒng)性能，所以SC_METHOD不易太復雜。 下面是一個簡單的SC_METHOD例子： 

　　SC_MODULE(example) { 

　　sc_in din; 


　　sc_out dout;//端口 

　　void inverter();//處理過程聲明 

　　SC_CTOR(example) { 

　　SC_METHOD(inverter); 

　　sensitive(din);//處理過程由輸入變化觸發(fā) 

　　} 

　　}; 

　　處理過程inverter如下： 

　　void example::inverter() { 

　　bool internal; 

　　internal = din;//輸入數(shù)據(jù)取反后由輸出端口輸出 

　　dout = ～internal; 

　　} 

SC_THREAD是最常用的處理過程，基本上可以用在任何地方。它是由輸入信號的變化觸發(fā)，但與SC_METHOD不同的是它可以在兩次調用這保存控制狀態(tài)。它的功能類似于積存器的功能。SC_THREAD中可以包含有wait()函數(shù)，這使得處理過程可以被掛起。 

SC_CTHREAD是SC_THREAD的一種特殊情況。SC_CTHREAD能產生更好的綜合效果。SC_CTHREAD中可以使用wait()函數(shù)。在不同的狀態(tài)  
間加入wait()函數(shù)，設計人員可以用SC_CTHREAD來實現(xiàn)狀態(tài)機。這種設計風格是簡便的而且容易理解。SC_CTHREAD只能由時鐘信號沿觸發(fā)，而SC_THREAD可以由其它非時鐘信號觸發(fā)。如果在時鐘上跳邊觸發(fā)，可以使用pos()函數(shù)，反之用neg()。 

　　為進一步說明SC_CTHREAD，下面給出了一個SC_CTHREAD的例子。

　　SC_MODULE(example) { 

　　sc_in_clk clock;//輸入時鐘 

　　sc_in trigger, din; 

　　sc_out dout; 

　　void invert(); 

　　SC_CTOR(example) { 

　　SC_CTHREAD(toggler, clock.pos());//時鐘上升沿觸發(fā) 

　　} 

　　} 

　　void example::invert() { 

　　bool last = false; 

　　for (;;) { 

　　wait_until(trigger.delayed() == true);//等到下個時鐘上升沿 //且trigger=1再執(zhí)行 

　　last = din; dout = last; wait(); 

　　last =～din; dout = last;wait();//下個上升沿才更改數(shù)據(jù) 

　　} 

　　} 

3．端口與信號 

與HDL語言相似，使用System C庫就可以在C程序中加入端口和信號。這些原先C語言中沒有的功能，使設計更復合硬件設計的要求。 

模塊與模塊之間是通過端口信號加一聯(lián)系。只要兩個端口被連接在一起，信號就可以在它們之間進行傳遞。對于這一點習慣用HDL進行設計的設計人員是很容易理解和接受的，因為這和HDL中端口的功能是一樣的。 信號只是在一個模塊的內部使用，這也是和HDL中信號的用法是一致的。 下面給出端口和信號聲明的例子。 

sc_in<“類型”> din// 輸入端口din 

sc_out<“類型”> dout// 輸出端口dout 

sc_inout<“類型”> q// 輸入輸出端口q 

sc_signal i[16]; //創(chuàng)建一個具有16比特的邏輯型信號i 

4．數(shù)據(jù)類型 

考慮到硬件設計的要求，System C中也加入了一些硬件設計中常用的數(shù)據(jù)類型。具體如下：

sc_int 有符號整數(shù)類型，最大有64個比特位。 

sc_uint 無符號整數(shù)類型，最大有64個比特位。 

sc_bigint 有符號整數(shù)類型，任意比特位，其最大比特位定義在 

sc_constants.h中。 

sc_biguint 無符號整數(shù)類型，任意比特位，其最大比特位定義在 

sc_constants.h中。 

sc_bit 二值數(shù)據(jù)，單比特位。 

sc_logic 四值數(shù)據(jù)，單比特位。 

sc_bv 二值數(shù)據(jù)，任意比特位。 

sc_lv 四值數(shù)據(jù)，任意比特位。 

sc_fixed 參數(shù)固定的有符號定點數(shù)。 

sc_ufixed 參數(shù)固定的無符號定點數(shù)。 

sc_fix 參數(shù)不固定的有符號定點數(shù)。 

sc_ufix 參數(shù)不固定的無符號定點數(shù)。 

User defined structs 用戶自定義結構 

以上是一些System C的基本概念。

五、結論 

System C是一種很有效的設計方法，它不僅可以幫助設計人員完成一個復雜的系統(tǒng)設計，還可以避免傳統(tǒng)設計中的各種弊端，并提高設計人員的工作效率。它的這些優(yōu)點使System C在復雜的系統(tǒng)設計中大有作為。并且習慣用HDL的設計人員，可以很容易地轉到用System C設計。