“系統(tǒng)建模”這一詞語揭示了復(fù)雜芯片系統(tǒng)(SoC)設(shè)計工程以及規(guī)模龐大的航空航天計劃。而實際上，系統(tǒng)建模技術(shù)的根本在于IC設(shè)計和航空航天工業(yè)。但是今天，出于各種原因，很多領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計人員在開發(fā)完整的原型系統(tǒng)之前必須對其電子系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行建模。
原因是多方面的，這些原因?qū)е鲁霈F(xiàn)了各種各樣的系統(tǒng)模型，如圖1所示。有時候，僅僅是因為軟件團(tuán)隊希望盡早開始設(shè)計工作。原理上，規(guī)劃人員可以把軟件分成與硬件無關(guān)規(guī)模較大的部分，以及與硬件功能相關(guān)而規(guī)模要小很多的部分。(Android等平臺強(qiáng)化了這種不同，應(yīng)用程序完全與硬件無關(guān))。然后，設(shè)計人員能夠在服務(wù)器自帶工具上開發(fā)硬件相關(guān)代碼，使用服務(wù)器功能替代目標(biāo)系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口(API)。這種API替代本身就是一種系統(tǒng)建模。
圖1.系統(tǒng)模型中的抽象層
但是，隨著系統(tǒng)設(shè)計的集成度越來越高，他們需要把詳細(xì)的硬件行為放到應(yīng)用層中，包括延時和能耗等。這種發(fā)展趨勢導(dǎo)致一些經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員開始懷疑硬件無關(guān)軟件這種觀念。Mike Dini是FPGA設(shè)計公司Dini集團(tuán)的創(chuàng)始人，在今年的設(shè)計自動化大會(DAC)原型開發(fā)討論組中闡述了“軟件設(shè)計人員如果沒有實際硬件就無法取得真正進(jìn)步”這一令人注目的觀點。相似的，Tensilica的資深產(chǎn)品專家Andrea Kroll在系統(tǒng)建模DAC討論組中發(fā)表了自己的看法，“在華為，我們嘗試了軟件驅(qū)動的系統(tǒng)開發(fā)。但是，軟件團(tuán)隊在沒有硬件時，并不知道怎樣開始工作。”這些懷疑觀點導(dǎo)致設(shè)計團(tuán)隊在設(shè)計早期便構(gòu)建詳細(xì)的硬件模型，以便軟件團(tuán)隊能夠開始工作。
系統(tǒng)研究
由于系統(tǒng)越來越復(fù)雜，規(guī)劃人員很難預(yù)測最終產(chǎn)品會怎樣工作。傳統(tǒng)的表格模型甚至最好的SoC數(shù)據(jù)表都不足以回答關(guān)鍵問題：數(shù)據(jù)包吞吐量實際是多少?應(yīng)用程序性能會滿足用戶的預(yù)期嗎?能接受電池壽命或者散熱嗎?有時候，回答這類問題的唯一方法是開發(fā)非常詳細(xì)的系統(tǒng)模型，利用模型來研究用戶案例和體系結(jié)構(gòu)替代方案。
系統(tǒng)建模的第三種應(yīng)用是系統(tǒng)驗證，這種應(yīng)用可能看起來不太引人注意。軟件的優(yōu)勢是明顯的。Xilinx研究實驗室的Austin Lesea在DAC系統(tǒng)建模組中發(fā)表評論說：“您可以在C語言中進(jìn)行大量的軟件驗證。當(dāng)您需要周期精確標(biāo)準(zhǔn)時，問題就來了。”軟件驗證需要精確的可執(zhí)行硬件模型。
但是，需求已經(jīng)超出了軟件調(diào)試。Cadence資深設(shè)計師Stuart Swan在討論組對此發(fā)表不同看法：“我們需要改變我們的觀念。我們應(yīng)該把更多的系統(tǒng)驗證提高到更高的抽象級，重新使用更抽象的模型來生成底層模型。”這一方法要求在開發(fā)原型之前，在各種抽象級上驗證系統(tǒng)模型功能，很多情況下，甚至是某些IC涉及到的寄存器傳送級(RTL)。
有些專家說，早期驗證不僅僅是盡早找到設(shè)計錯誤，還有很重要的結(jié)果。測試臺是會話發(fā)起器和校驗器，進(jìn)行隨機(jī)測試，可以重用驗證事物級模型開發(fā)的基本工具，將其應(yīng)用于更詳細(xì)的模型上，甚至是物理原型。通過這種方式，系統(tǒng)設(shè)計團(tuán)隊不僅避免了在設(shè)計期間多次重新開發(fā)相同的測試臺，而且還可以在設(shè)計過程中盡早開始調(diào)試測試臺。此時，團(tuán)隊進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)驗證，測試臺應(yīng)該非常穩(wěn)定。
但是，我并沒有進(jìn)行SoC開發(fā)
您會說，所有這一切聽起來很合理。但是，如果我們的設(shè)計團(tuán)隊購買了專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)，而不是設(shè)計自己的SoC，情況會怎樣?我們要使用模型，應(yīng)該怎么辦?這里有幾種回答。
對于系統(tǒng)設(shè)計團(tuán)隊，最直觀的方法是編寫非常抽象的事物級模型，他們只需要在數(shù)據(jù)表級理解ASSP及其周圍的芯片。在這一等級足以理解系統(tǒng)的工作，并與系統(tǒng)進(jìn)行通信，研究使用案例。對于以后更復(fù)雜的建模工作，這可以用作工作臺。
理想情況下，如果可以使用ASSP，很明顯的下一步是硬件原型設(shè)計，采用芯片供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計好并調(diào)試過的開發(fā)套件來進(jìn)行開發(fā)。如果沒有開發(fā)套件，甚至連硅片也沒有，或者系統(tǒng)設(shè)計還沒準(zhǔn)備好支持部分原型，那么，還有別的選擇。
正如ARM設(shè)計技術(shù)副總裁John Goodenough在建模討論組中所建議的，一種選擇是，在您的前一代SoC上使用開發(fā)套件，仔細(xì)的實現(xiàn)各種不同應(yīng)用。取決于這些不同應(yīng)用的差異程度，例如，從功能和用戶案例研究到性能建模，甚至是某些驅(qū)動程序的開發(fā)等，可以一直使用這些原型。這有助于幾代ASSP共享存儲器和總線體系結(jié)構(gòu)，只需要進(jìn)行很小的改動，就能夠加速設(shè)計實現(xiàn)。
虛擬原型
那么，如果既沒有您計劃使用的ASSP，也沒有非常相近的器件，該怎么辦呢?當(dāng)您已經(jīng)快完成了硬件原型開發(fā)，但是需要提高對系統(tǒng)內(nèi)部的可視化程度，您應(yīng)該怎么辦呢?芯片供應(yīng)商通過系統(tǒng)級虛擬原型來回答這些問題，如圖2所示。
圖2.虛擬原型工具將不同級別的模型連接至統(tǒng)一的調(diào)試工作臺中
理想情況下，系統(tǒng)虛擬原型會是一組模型，在幾種抽象級上精確的表示系統(tǒng)(請參考工具條：每一目標(biāo)模型)。原型會提供已經(jīng)開發(fā)好的調(diào)試和軟件執(zhí)行接口，提供很好的方法將組件加入到系統(tǒng)模型中。
這一想法并非不切實際。Frank Schirrmeister是Cadence系統(tǒng)開發(fā)產(chǎn)品市場資深總監(jiān)，他認(rèn)為，越來越多的IC供應(yīng)商構(gòu)建了復(fù)雜SoC的虛擬模型，幫助客戶圍繞芯片模型開發(fā)全系統(tǒng)虛擬模型。在某些情況下，這些模型實際上成為IC數(shù)據(jù)表。Schirrmeister評論說，我們將模型提供給客戶，這些模型通常包括事物級和加密RTL視圖，硅片供應(yīng)商的現(xiàn)場應(yīng)用工程師還為客戶提供幫助。芯片模型成為系統(tǒng)開發(fā)人員完整系統(tǒng)模型的一部分，也是硅片和系統(tǒng)設(shè)計團(tuán)隊之間的通信手段。實際上，當(dāng)FPGA供應(yīng)商Altera和Xilinx最近推出集成了CPU群的FPGA后，他們出于這一目的，都為新芯片提供了虛擬模型。
設(shè)計人員實際使用什么
在DAC系統(tǒng)模型建模討論組中，EDN的EDA編輯、主持人Brian Bailey詢問小組成員，他們的系統(tǒng)建模實際是什么情況。答案反映了不同設(shè)計團(tuán)隊的各種需求，以及他們的各種觀點。
運(yùn)動研究(RIM)公司的資深建模專家Frederic Risacher描述了大部分開發(fā)人員通常會面臨的環(huán)境。我們不設(shè)計IC。Risacher解釋說：“我們購買硅片，然后通過軟件來突出我們的產(chǎn)品優(yōu)勢。”
Risacher說，RIM不設(shè)計自己的硅片這一事實使得設(shè)計團(tuán)隊的建模策略比較復(fù)雜，但是基本上不會改變。工作不是從硬件建模開始，而是從軟件開始。Risacher說：“至少在我們得到硅片之前的九個月，甚至是在得到虛擬原型之前，我們就開始開發(fā)過程和線程模型。然后，盡快開發(fā)功能精確、周期近似的硬件模型。”
Risacher繼續(xù)解釋了RIM在這些模型上依靠其IC供應(yīng)商。但是在這種關(guān)系上存在一個基本問題。芯片設(shè)計人員把他們的可綜合RTL代碼作為其IC的定義模型。但是，不能直接從RTL獲得RIM需要的更抽象的模型。Risacher解釋說：“因此，所有的都來自規(guī)范，而不是RTL。”
RIM出于幾種不同的目的來使用這些模型。在設(shè)計早期階段，重點是理解軟件對硬件的要求。Risacher提醒說：“硅片和用戶需求之間的不同要求對硬件進(jìn)行改動。您會嘗試預(yù)測這些問題。”當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計整合到一起時，RIM團(tuán)隊轉(zhuǎn)到更詳細(xì)的模型，用于系統(tǒng)調(diào)整——例如，設(shè)置緩沖深度，還用于研究新想法。結(jié)果是功能強(qiáng)大的工具組，但是，存在管理難題。Risacher說：“我們在三種不同的領(lǐng)域中有四種不同的模型。這些模型的每一個都可以分別進(jìn)行提取、驗證和維持。
Qualcomm的首席工程師Richard Higgins從硅片供應(yīng)商的角度講述了一個相似的案例。Higgins說；“我們使用系統(tǒng)模型來預(yù)測硬件的行為，盡早開始軟件開發(fā)。”問題是，要實現(xiàn)這兩個目標(biāo)需要很多不同抽象級。Higgins解釋說：“我們使用完整的系列模型，包括，結(jié)構(gòu)、功能、行為和接口級抽象。此外，我們會有一些可執(zhí)行SysML，還涉及到一些可綜合SystemC。”
和RIM相似，Qualcomm面臨保持模型連續(xù)性這一難題，與硅片團(tuán)隊在RTL上有相同的看法。Higgins建議說，這方面最重要的最佳實踐是，為所有不同的模型維持一個公共驗證途徑。但這很難。他說：“目前，還沒有真正的體系結(jié)構(gòu)和軟件模型公共驗證途徑。”
Tensilica的Kroll說，甚至IP開發(fā)人員也面臨相似的問題。她說：“在開發(fā)IP子系統(tǒng)時，對于多核設(shè)計，我們在早期軟件開發(fā)、互聯(lián)分析和性能驗證中使用系統(tǒng)模型。”這一工作需要從指令集仿真器到數(shù)據(jù)流發(fā)生器的所有一切，以便采用注釋時序?qū)τ布K進(jìn)行建模。Kroll建議說：“您應(yīng)該知道使用模型的目的，確定各種抽象級的組合，以及您所需要的精度。”
總結(jié)
幾個不同設(shè)計團(tuán)隊的經(jīng)驗表明，即使是使用商用ASSP的系統(tǒng)設(shè)計團(tuán)隊，系統(tǒng)級建模都有很大的優(yōu)勢。使用模型，軟件開發(fā)團(tuán)隊在能夠使用硬件原型之前，盡早開始工作。這樣，系統(tǒng)團(tuán)隊盡早查看系統(tǒng)行為、性能，以及能耗等，從而降低風(fēng)險。使用系統(tǒng)模型，初步規(guī)劃怎樣構(gòu)建系統(tǒng)測試臺，可以盡早開始系統(tǒng)驗證。
“但玫瑰都有刺”。一些不知名的系統(tǒng)設(shè)計團(tuán)隊很難甚至不可能從ASSP供應(yīng)商那里得到模型和支持。這些團(tuán)隊可能不得不從數(shù)據(jù)表描述中獲得他們自己的IC模型。系統(tǒng)模型需要進(jìn)行驗證，正如系統(tǒng)本身自己那樣。所有不同的系統(tǒng)模型應(yīng)保持一致性，這非常重要。但這是很大的挑戰(zhàn)，因為，不同的模型一般由不同的工程師手動得到，有時候還有不同的來源。不同的模型還存在于不同的工具環(huán)境中，一般不具有互操作性，可以由不同的團(tuán)隊使用。考慮到這些問題，建模工作不應(yīng)受限于資源，本身也不應(yīng)成為完整的設(shè)計工程，這一點非常重要。
既能夠發(fā)揮優(yōu)點，又解決了難點問題，全面的系統(tǒng)建模計劃并不是每一設(shè)計的最佳解決方案。但是，由于系統(tǒng)越來越復(fù)雜，更多的設(shè)計都會需要模型。盡早熟悉該技術(shù)是很明智的，而不應(yīng)該等到您確定“我們應(yīng)該對此進(jìn)行建模”時才想起這一技術(shù)。
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