“系統(tǒng)建模”這一詞語揭示了復雜芯片系統(tǒng)(SoC)設計工程以及規(guī)模龐大的航空航天計劃。而實際上，系統(tǒng)建模技術的根本在于IC設計和航空航天工業(yè)。但是今天，出于各種原因，很多領域的系統(tǒng)設計人員在開發(fā)完整的原型系統(tǒng)之前必須對其電子系統(tǒng)設計進行建模。
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，僅僅是因為軟件團隊希望盡早開始設計工作。原理上，規(guī)劃人員可以把軟件分成與硬件無關規(guī)模較大的部分，以及與硬件功能相關而規(guī)模要小很多的部分。(Android等平臺強化了這種不同，應用程序完全與硬件無關)。然后，設計人員能夠在服務器自帶工具上開發(fā)硬件相關代碼，使用服務器功能替代目標系統(tǒng)的應用程序接口(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)設計的集成度越來越高，他們需要把詳細的硬件行為放到應用層中，包括延時和能耗等。這種發(fā)展趨勢導致一些經(jīng)驗豐富的設計人員開始懷疑硬件無關軟件這種觀念。Mike Dini是FPGA設計公司Dini集團的創(chuàng)始人，在今年的設計自動化大會(DAC)原型開發(fā)討論組中闡述了“軟件設計人員如果沒有實際硬件就無法取得真正進步”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，軟件團隊在沒有硬件時，并不知道怎樣開始工作。”這些懷疑觀點導致設計團隊在設計早期便構建詳細的硬件模型，以便軟件團隊能夠開始工作。
系統(tǒng)研究
由于系統(tǒng)越來越復雜，規(guī)劃人員很難預測最終產(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)表都不足以回答關鍵問題：數(shù)據(jù)包吞吐量實際是多少?應用程序性能會滿足用戶的預期嗎?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)非常詳細的系統(tǒng)模型，利用模型來研究用戶案例和體系結構替代方案。
系統(tǒng)建模的第三種應用是系統(tǒng)驗證，這種應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語言中進行大量的軟件驗證。當您需要周期精確標準時，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計錯誤，還有很重要的結果。測試臺是會話發(fā)起器和校驗器，進行隨機測試，可以重用驗證事物級模型開發(fā)的基本工具，將其應用于更詳細的模型上，甚至是物理原型。通過這種方式，系統(tǒng)設計團隊不僅避免了在設計期間多次重新開發(fā)相同的測試臺，而且還可以在設計過程中盡早開始調(diào)試測試臺。此時，團隊進行詳細的系統(tǒng)驗證，測試臺應該非常穩(wěn)定。
但是，我并沒有進行SoC開發(fā)
您會說，所有這一切聽起來很合理。但是，如果我們的設計團隊購買了專用標準產(chǎn)品(ASSP)，而不是設計自己的SoC，情況會怎樣?我們要使用模型，應該怎么辦?這里有幾種回答。
對于系統(tǒng)設計團隊，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)進行通信，研究使用案例。對于以后更復雜的建模工作，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計，采用芯片供應商已經(jīng)設計好并調(diào)試過的開發(fā)套件來進行開發(fā)。如果沒有開發(fā)套件，甚至連硅片也沒有，或者系統(tǒng)設計還沒準備好支持部分原型，那么，還有別的選擇。
正如ARM設計技術副總裁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，仔細的實現(xiàn)各種不同應用。取決于這些不同應用的差異程度，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構，只需要進行很小的改動，就能夠加速設計實現(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，您應該怎么辦呢?芯片供應商通過系統(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)，他認為，越來越多的IC供應商構建了復雜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，硅片供應商的現(xiàn)場應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)設計團隊之間的通信手段。實際上，當FPGA供應商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。答案反映了不同設計團隊的各種需求，以及他們的各種觀點。
運動研究(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不設計自己的硅片這一事實使得設計團隊的建模策略比較復雜，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供應商。但是在這種關系上存在一個基本問題。芯片設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行改動。您會嘗試預測這些問題。”當系統(tǒng)設計整合到一起時，RIM團隊轉到更詳細的模型，用于系統(tǒng)調(diào)整——例如，設置緩沖深度，還用于研究新想法。結果是功能強大的工具組，但是，存在管理難題。Risacher說：“我們在三種不同的領域中有四種不同的模型。這些模型的每一個都可以分別進行提取、驗證和維持。
Qualcomm的首席工程師Richard Higgins從硅片供應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，結構、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構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進行建模。Kroll建議說：“您應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
幾個不同設計團隊的經(jīng)驗表明，即使是使用商用ASSP的系統(tǒng)設計團隊，系統(tǒng)級建模都有很大的優(yōu)勢。使用模型，軟件開發(fā)團隊在能夠使用硬件原型之前，盡早開始工作。這樣，系統(tǒng)團隊盡早查看系統(tǒng)行為、性能，以及能耗等，從而降低風險。使用系統(tǒng)模型，初步規(guī)劃怎樣構建系統(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)設計團隊很難甚至不可能從ASSP供應商那里得到模型和支持。這些團隊可能不得不從數(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，可以由不同的團隊使用。考慮到這些問題，建模工作不應受限于資源，本身也不應成為完整的設計工程，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計的最佳解決方案。但是，由于系統(tǒng)越來越復雜，更多的設計都會需要模型。盡早熟悉該技術是很明智的，而不應該等到您確定“我們應該對此進行建模”時才想起這一技術。
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