“系統(tǒng)建模”這一詞語(yǔ)揭示了復(fù)雜芯片系統(tǒng)(SoC)設(shè)計(jì)工程以及規(guī)模龐大的航空航天計(jì)劃。而實(shí)際上，系統(tǒng)建模技術(shù)的根本在于IC設(shè)計(jì)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(jì)人員在開(kāi)發(fā)完整的原型系統(tǒng)之前必須對(duì)其電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)候，僅僅是因?yàn)檐浖F(tuán)隊(duì)希望盡早開(kāi)始設(shè)計(jì)工作。原理上，規(guī)劃人員可以把軟件分成與硬件無(wú)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(tái)強(qiáng)化了這種不同，應(yīng)用程序完全與硬件無(wú)關(guān))。然后，設(shè)計(jì)人員能夠在服務(wù)器自帶工具上開(kāi)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(jì)的集成度越來(lái)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(shí)和能耗等。這種發(fā)展趨勢(shì)導(dǎo)致一些經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員開(kāi)始懷疑硬件無(wú)關(guān)軟件這種觀念。Mike Dini是FPGA設(shè)計(jì)公司Dini集團(tuán)的創(chuàng)始人，在今年的設(shè)計(jì)自動(dòng)化大會(huì)(DAC)原型開(kāi)發(fā)討論組中闡述了“軟件設(shè)計(jì)人員如果沒(méi)有實(shí)際硬件就無(wú)法取得真正進(jìn)步”這一令人注目的觀點(diǎn)。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(dòng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。但是，軟件團(tuán)隊(duì)在沒(méi)有硬件時(shí)，并不知道怎樣開(kāi)始工作。”這些懷疑觀點(diǎn)導(dǎo)致設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)早期便構(gòu)建詳細(xì)的硬件模型，以便軟件團(tuán)隊(duì)能夠開(kāi)始工作。
系統(tǒng)研究
由于系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，規(guī)劃人員很難預(yù)測(cè)最終產(chǎn)品會(huì)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(wèn)題：數(shù)據(jù)包吞吐量實(shí)際是多少?應(yīng)用程序性能會(huì)滿足用戶的預(yù)期嗎?能接受電池壽命或者散熱嗎?有時(shí)候，回答這類問(wèn)題的唯一方法是開(kāi)發(fā)非常詳細(xì)的系統(tǒng)模型，利用模型來(lái)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(yàn)證，這種應(yīng)用可能看起來(lái)不太引人注意。軟件的優(yōu)勢(shì)是明顯的。Xilinx研究實(shí)驗(yàn)室的Austin Lesea在DAC系統(tǒng)建模組中發(fā)表評(píng)論說(shuō)：“您可以在C語(yǔ)言中進(jìn)行大量的軟件驗(yàn)證。當(dāng)您需要周期精確標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，問(wèn)題就來(lái)了。”軟件驗(yàn)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(jì)師Stuart Swan在討論組對(duì)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(yàn)證提高到更高的抽象級(jí)，重新使用更抽象的模型來(lái)生成底層模型。”這一方法要求在開(kāi)發(fā)原型之前，在各種抽象級(jí)上驗(yàn)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(jí)(RTL)。
有些專家說(shuō)，早期驗(yàn)證不僅僅是盡早找到設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，還有很重要的結(jié)果。測(cè)試臺(tái)是會(huì)話發(fā)起器和校驗(yàn)器，進(jìn)行隨機(jī)測(cè)試，可以重用驗(yàn)證事物級(jí)模型開(kāi)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(guò)這種方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不僅避免了在設(shè)計(jì)期間多次重新開(kāi)發(fā)相同的測(cè)試臺(tái)，而且還可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡早開(kāi)始調(diào)試測(cè)試臺(tái)。此時(shí)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行詳細(xì)的系統(tǒng)驗(yàn)證，測(cè)試臺(tái)應(yīng)該非常穩(wěn)定。
但是，我并沒(méi)有進(jìn)行SoC開(kāi)發(fā)
您會(huì)說(shuō)，所有這一切聽(tīng)起來(lái)很合理。但是，如果我們的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)購(gòu)買了專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)，而不是設(shè)計(jì)自己的SoC，情況會(huì)怎樣?我們要使用模型，應(yīng)該怎么辦?這里有幾種回答。
對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，最直觀的方法是編寫非常抽象的事物級(jí)模型，他們只需要在數(shù)據(jù)表級(jí)理解ASSP及其周圍的芯片。在這一等級(jí)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(duì)于以后更復(fù)雜的建模工作，這可以用作工作臺(tái)。
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(jì)，采用芯片供應(yīng)商已經(jīng)設(shè)計(jì)好并調(diào)試過(guò)的開(kāi)發(fā)套件來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如果沒(méi)有開(kāi)發(fā)套件，甚至連硅片也沒(méi)有，或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)還沒(méi)準(zhǔn)備好支持部分原型，那么，還有別的選擇。
正如ARM設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)套件，仔細(xì)的實(shí)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(dòng)程序的開(kāi)發(fā)等，可以一直使用這些原型。這有助于幾代ASSP共享存儲(chǔ)器和總線體系結(jié)構(gòu)，只需要進(jìn)行很小的改動(dòng)，就能夠加速設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
虛擬原型
那么，如果既沒(méi)有您計(jì)劃使用的ASSP，也沒(méi)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(kāi)發(fā)，但是需要提高對(duì)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(guò)系統(tǒng)級(jí)虛擬原型來(lái)回答這些問(wèn)題，如圖2所示。
圖2.虛擬原型工具將不同級(jí)別的模型連接至統(tǒng)一的調(diào)試工作臺(tái)中
理想情況下，系統(tǒng)虛擬原型會(huì)是一組模型，在幾種抽象級(jí)上精確的表示系統(tǒng)(請(qǐng)參考工具條：每一目標(biāo)模型)。原型會(huì)提供已經(jīng)開(kāi)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(shí)際。Frank Schirrmeister是Cadence系統(tǒng)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品市場(chǎng)資深總監(jiān)，他認(rèn)為，越來(lái)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(kāi)發(fā)全系統(tǒng)虛擬模型。在某些情況下，這些模型實(shí)際上成為IC數(shù)據(jù)表。Schirrmeister評(píng)論說(shuō)，我們將模型提供給客戶，這些模型通常包括事物級(jí)和加密RTL視圖，硅片供應(yīng)商的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師還為客戶提供幫助。芯片模型成為系統(tǒng)開(kāi)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(jì)團(tuán)隊(duì)之間的通信手段。實(shí)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(jì)人員實(shí)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(wèn)小組成員，他們的系統(tǒng)建模實(shí)際是什么情況。答案反映了不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的各種需求，以及他們的各種觀點(diǎn)。
運(yùn)動(dòng)研究(RIM)公司的資深建模專家Frederic Risacher描述了大部分開(kāi)發(fā)人員通常會(huì)面臨的環(huán)境。我們不設(shè)計(jì)IC。Risacher解釋說(shuō)：“我們購(gòu)買硅片，然后通過(guò)軟件來(lái)突出我們的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。”
Risacher說(shuō)，RIM不設(shè)計(jì)自己的硅片這一事實(shí)使得設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的建模策略比較復(fù)雜，但是基本上不會(huì)改變。工作不是從硬件建模開(kāi)始，而是從軟件開(kāi)始。Risacher說(shuō)：“至少在我們得到硅片之前的九個(gè)月，甚至是在得到虛擬原型之前，我們就開(kāi)始開(kāi)發(fā)過(guò)程和線程模型。然后，盡快開(kāi)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(gè)基本問(wèn)題。芯片設(shè)計(jì)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(shuō)：“因此，所有的都來(lái)自規(guī)范，而不是RTL。”
RIM出于幾種不同的目的來(lái)使用這些模型。在設(shè)計(jì)早期階段，重點(diǎn)是理解軟件對(duì)硬件的要求。Risacher提醒說(shuō)：“硅片和用戶需求之間的不同要求對(duì)硬件進(jìn)行改動(dòng)。您會(huì)嘗試預(yù)測(cè)這些問(wèn)題。”當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)整合到一起時(shí)，RIM團(tuán)隊(duì)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(shuō)：“我們?cè)谌N不同的領(lǐng)域中有四種不同的模型。這些模型的每一個(gè)都可以分別進(jìn)行提取、驗(yàn)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(gè)相似的案例。Higgins說(shuō)；“我們使用系統(tǒng)模型來(lái)預(yù)測(cè)硬件的行為，盡早開(kāi)始軟件開(kāi)發(fā)。”問(wèn)題是，要實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)目標(biāo)需要很多不同抽象級(jí)。Higgins解釋說(shuō)：“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(jí)抽象。此外，我們會(huì)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(duì)在RTL上有相同的看法。Higgins建議說(shuō)，這方面最重要的最佳實(shí)踐是，為所有不同的模型維持一個(gè)公共驗(yàn)證途徑。但這很難。他說(shuō)：“目前，還沒(méi)有真正的體系結(jié)構(gòu)和軟件模型公共驗(yàn)證途徑。”
Tensilica的Kroll說(shuō)，甚至IP開(kāi)發(fā)人員也面臨相似的問(wèn)題。她說(shuō)：“在開(kāi)發(fā)IP子系統(tǒng)時(shí)，對(duì)于多核設(shè)計(jì)，我們?cè)谠缙谲浖_(kāi)發(fā)、互聯(lián)分析和性能驗(yàn)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(shí)序?qū)τ布K進(jìn)行建模。Kroll建議說(shuō)：“您應(yīng)該知道使用模型的目的，確定各種抽象級(jí)的組合，以及您所需要的精度。”
總結(jié)
幾個(gè)不同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)表明，即使是使用商用ASSP的系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)級(jí)建模都有很大的優(yōu)勢(shì)。使用模型，軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在能夠使用硬件原型之前，盡早開(kāi)始工作。這樣，系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)盡早查看系統(tǒng)行為、性能，以及能耗等，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。使用系統(tǒng)模型，初步規(guī)劃怎樣構(gòu)建系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)，可以盡早開(kāi)始系統(tǒng)驗(yàn)證。
“但玫瑰都有刺”。一些不知名的系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(duì)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(yàn)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?yàn)椋煌哪Ｐ鸵话阌刹煌墓こ處熓謩?dòng)得到，有時(shí)候還有不同的來(lái)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(duì)使用?？紤]到這些問(wèn)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(jì)工程，這一點(diǎn)非常重要。
既能夠發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)，又解決了難點(diǎn)問(wèn)題，全面的系統(tǒng)建模計(jì)劃并不是每一設(shè)計(jì)的最佳解決方案。但是，由于系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，更多的設(shè)計(jì)都會(huì)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(duì)此進(jìn)行建模”時(shí)才想起這一技術(shù)。
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