Farid Okla

Einführung in System C

Farid Okla

Einführung in System C1Einführung in SystemC Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

TECHNISCHE UNIVERSITÄTILMENAU

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Einführung in

SystemC

Farid Okla22. April 2003

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2Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Gliederung

• Allgemeine Einführung und Entwicklungsgeschichte• Herkömmlicher Entwurfsprozess vs. SystemC Entwurfsprozess• SystemC-Sprachkonzept

– SystemC-Datentypen– Module und Ports– Module und Signale– Prozesse– Clocks– Signale, Variablen, Prozesse, Constructor

• „Lauflicht“ – ein Beispiel– Testbench und Hauptroutine– Compilieren und Simulieren

• Zusammenfassung und Quellen

3Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Was ist SystemC

Daraus resultieren zwei notwendige Eigenschaften:

SystemC ist eine von mehreren Firmen unter Leitung der Open SystemC Initiative OSCI entwickelte C++ Klassenbibliothek.SystemC wurde unter dem Aspekt der Vereinheitlichung einer Entwurfssprache für Hardware- und Software- Design entworfen.

SystemC besitzt die aus der Softwareentwicklung bekannten Eigenschaften der objektorientierten Programmiersprache C++.

SystemC besitzt Konstrukte zur Beschreibung komplexer Hardware-Systeme, vergleichbar mit den herkömmlichen Hardware-Beschreibungssprachen (Hardware-Description-Language) wie VHDL oder Verilog-HDL.

4Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Entwicklungsgeschichte

• vor SystemC: Vielzahl an C/C++ basierten Entwurfssprachen, aberkein einheitlicher Standard

• Einführung September 1999• Entwicklung und Standardisierung durch die OSCI

– Open SystemC™ Initiative– Konsortium größerer EDA (Electronic Design Automation )-Firmen und IP-Providern

• „Open Source License“– kann ohne Kosten runtergeladen, installiert und benutzt werden

frei verfügbares Entwurfs- und Simulationspaket

5Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Gliederung

• Allgemeine Einführung und Entwicklungsgeschichte• Herkömmlicher Entwurfsprozess vs. SystemC Entwurfsprozess• SystemC-Sprachkonzept

– SystemC-Datentypen– Module und Ports– Module und Signale– Prozesse– Signale und Clocks– Signale, Variablen, Prozesse, Constructor

• „Lauflicht“ – ein Beispiel– Testbench und Hauptroutine– Compilieren und Simulieren

• Zusammenfassung und Quellen

6Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

HDL-basierter Design-Flow

• Funktionale Spezifikationin C++ (ausführbar)

• Entscheidung welcherin Hard- bzw. Softwareimplementiert wird

• Übersetzung derSpezifikation in HDL !!!

• Heterogene Simulations bzw.Testumgebungerschwert HW / SW CoDesign

System Spezifikation C++

Hardware-Software Partitionierung

Softwareentwurf C, C++

SoftwaresyntheseKompilation

Hardwareentwurf VHDL, Verilog

HardwaresynthesePlace and Route

SoftwareHardware

7Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

SystemC Design-Flow

•Ausführbare Spezifikation in SystemC als Grundlage für HW und SW-Entwurf

•Hardware- und Software-Modelle gemeinsam in einerhomogenen Umgebung

• Hardwareentwurf wird durch schrittweise Verfeinerung der Spezifikation erreicht. (keineSprachbarriere wie zu HDL‘s)

• Hardware-Synthese direktvom SystemC-Modell

System Spezifikation SystemC

Hardware-Software Partitionierung

Softwareentwurf C++

SoftwaresyntheseKompilation

Hardwareentwurf SystemC

HardwaresynthesePlace and Route

SoftwareHardware

8Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Gliederung

• Allgemeine Einführung und Entwicklungsgeschichte• Herkömmlicher Entwurfsprozess vs. SystemC Entwurfsprozess• SystemC-Sprachkonzept

– SystemC-Datentypen – Module und Ports– Module und Signale– Prozesse– Clocks– Signale, Variablen, Prozesse, Konstruktor

• „Lauflicht“ – ein Beispiel– Testbench und Hauptroutine– Compilieren und Simulieren

• Zusammenfassung und Quellen

9Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Übersicht SystemC-Sprachkonzept

Modul

Ports Signale Variablen Prozesse

SC_METHOD

SC_THREAD

SC_CTHREAD

sc_in

sc_out

sc_inout

10Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

SystemC-Datentypen

sc_bit zweiwertiges Bit (0 und 1)sc_logic vierwertiges Bit (0, 1, Z, X)sc_int<n> Integertyp mit fester Bitlänge n (n≤64)sc_uint<n> Integertyp mit fester Bitlänge n (n≤64)sc_bv<n> Bitvektoren der Länge n (zweiwertig)sc_lv<n> Bitvektoren der Länge n (vierwertig)

• zusätzlich– alle C++ Standardtypen– Fixkomma-Datentypen (DSP-Anwendungen)– benutzerdefinierte Typen

11Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Module und Ports (1)

• Module– grundlegende Bausteine in SystemC– Deklaration:

SC_MODULE(lauflicht) {…

– alternativ: struct lauflicht : sc_module {…

• Ports– zur Kommunikation zwischen Modulen– drei verschiedene Typen:

Eingang sc_in<datentyp>

Ausgang sc_out<datentyp>

Eingang/Ausgang sc_inout<datentyp>

12Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Module und Ports (2)

// ram.h#include "systemc.h"SC_MODULE(ram){

sc_in<int> addr;sc_in<int> datain;sc_in<bool> rwb;sc_out<int> dout;int memdata[64];int i;void ramread();void ramwrite();

SC_CTOR(ram){ // ConstructorSC_METHOD(ramread);sensitive << addr << rwb;

SC_METHOD(ramwrite);sensitive<<addr<< datain<<rwb;for(i=0 ; i++; i<64){

memdata[i]=0;}

}};

13Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Module und Ports (3)

LoadFIFO

Full

EmptyReadData

SC_MODULE(fifo){sc_in<bool> load;sc_in<bool> read;sc_inout<int> data;sc_out<bool> full;sc_out<bool> empty;

..........};

14Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Port read/write-Operationen

SC_MODULE(module_name){

// ports

sc_in<int> a;

sc_out<int> b;

int c;

void entry(){

b=10;// Write 10 to the port

if(a < 5){ // Read the port

c = a; // Read the port again

}

}

// rest of module

SC_MODULE(module_name){

// ports

sc_in<int> a;

sc_out<int> b;

int c;

void entry(){

b.write(10);// Write 10 to the port

if(a.read() < 5){ // Read the port

c = a.read();// Read the port again

}

}

// rest of module

15Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Module und Signale (1)

Positional Connection:

aq

b m1cc1 out

din s1 doutq

Sample

Coeff

Mults

Filter

// filter.h

#include "systemc.h"

#include "mult.h"

#include "coeff.h"

#include "sample.h"

SC_MODULE(filter){

sample *s1;

coeff *c1;

mult *m1;

sc_signal<sc_uint<32> > q, s,c;

SC_CTOR(filter){

s1 = new sample("s1");

(*s1)(q,s);

c1 = new coeff("c1");

(*c1)(c);

m1 = new mult ("m1");

(*m1)(s,c,q);

}

}

16Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Module und Signale (2)

Named Connection:

aq

b m1cc1 out

din s1 doutq

Sample

Coeff

Mults

Filter

// filter.h#include "systemc.h"#include "mult.h"#include "coeff.h"#include "sample.h"SC_MODULE(filter){sample *s1;coeff *c1;mult *m1;

sc_signal<sc_uint<32> > q, s,c;

SC_CTOR(filter){s1 = new sample("s1");s1->din(q);s1->dout(s);c1 = new coeff("c1");c1->out(c);m1 = new mult ("m1");m1->a(s);m1->b(c);m1->q(q); }

}

17Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Prozesse

• Prozesse dienen zur Beschreibung des (reaktiven) Verhaltens von Modulen, werden (quasi)-parallel ausgeführt

• Prozesse enthalten eine Menge von Anweisungen, die die Funktionalität des Prozesses imlementieren.

• 3 Typen von Prozessen:– Method– Thread– Clocked Thread

18Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Prozess Type : Method (SC_METHOD)

// dff.h#include "system.h"SC_MODULE(dff) {

sc_in<bool> din;sc_in<bool> clock;

sc_out<bool> dout;

void doit();

SC_CTOR(dff) {SC_METHOD(doit);sensitive_pos << clock;

}};

// dff.cc#include "dff.h"void dff::doit() {

dout = din;}

19Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Prozess Type : Thread (SC_THREAD)// Header File

SC_MODULE(my_module){

// ports

sc_in<int> a;

sc_in<bool> b;

sc_out<int> x;

sc_out<int> y;

// Internal signals

sc_signal<bool> c;

sc_signal<int> d;

// Thread process

void my_thread_proc();

// ConstructorSC_CTOR(my_module) {// register thread processSC_THREAD(my_thread_proc);

sensitive << a << c << d;sensitive_pos << b; }

};// Implementation File// Process Bodyvoid my_module :: my_thread_proc()

while (true) {x = a + d;

wait();y = a /d;

wait(); } }

20Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Prozess Type : Clocked Thread (SC_CTHREAD)// Header FileSC_MODULE(my_module){// ports

sc_in_clk clock;sc_in<int> a;sc_in<bool> b;sc_out<int> x;sc_out<int> y;// Internal signalssc_signal<bool> c;sc_signal<int> d;// CThread process

void my_cthread_proc();

// ConstructorSC_CTOR(my_module) {// register thread processSC_CTHREAD(my_cthread_proc,clock.pos()); }

}; // Implementation File// Process Bodyvoid my_module :: my_cthread_proc(){

while (true) {x = a + d;wait();y = a /d;wait(); }

}

21Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Wait, Watching

Wait: Watching

// ConstructorSC_CTOR(adder) {SC_CTHREAD(entry, CLK.pos());watching(reset.delayed()==true);}……………………..void adder::adder_proc() {/*reset actions*/while(true) {out=in1+in2;wait();out=in1+in2+2;wait();}}

// ConstructorSC_CTOR(adder) {SC_CTHREAD(entry, CLK.pos());}……………………..void adder::adder_proc() {while(true) {out=in1+in2;wait();if(reset==1){/*reset actions*/};out=in1+in2+2;wait();if(reset==1){/*reset actions*/};}}

22Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Prozesstypen

SC_CTHREADSC_THREADSC_METHOD

Zeit/ taktgetriggertmehrere Zustände

(waits)

event getriggert (beliebige

Triggerbedingung)mehrere Zustände

(waits)

event getriggert (beliebigeTriggerbedingung)

vollständige Bearbeitungdes Prozesses (keinewait() Anweisungen)

Event1

Event2

Event3

Event5

Event4

Takt1

Takt2Takt4

Takt3

23Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Clocks• Clocks sind besondere Objekte in SystemC.• Clocks generieren zeitabhängige Signale, die zur

synchronisierten Events in der Simulation benutzt werden.• Clock-Objekt hat folgende Syntax:

sc_clock clock1("clock1", 20, 0.5, 2, true);Diese Definition erzeugt ein Takt-Objekt namens „clock1“, mit einer Periode von „20“ Zeiteinheiten und ein Tastverhältnis von „50%“, deren erste Flanke nach „2“ Zeiteinheiten auf einen Wert „true“ führt.

20Clock Waveform

0 2 12 22 32

clock Offset Clock Waveform

24Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Variablen, Signale, Prozesse (1)

Variablenwerden innerhalb von Modulen definiertdienen als Speicher, Registerz.B. sc_uint<8> my_data;

SignaleSignalleitungenverbinden Prozesse und Modulez.B.: sc_signal<int> my_signal;

Prozessebeschreiben Funktionalität des Modulsz.B. void my_process();

25Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Variablen, Signale, Prozesse (2)#include "systemc.h"

SC_MODULE(lauflicht) {

sc_in<bool> clk; sc_in<bool> reset;sc_in<bool> en; sc_in<bool> dir; sc_out<sc_uint<8> > d_out;

sc_uint<8> data; void my_process();

…};

26Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Gliederung

• Allgemeine Einführung und Entwicklungsgeschichte• Herkömmlicher Entwurfsprozess vs. SystemC Entwurfsprozess• SystemC-Sprachkonzept

– SystemC-Datentypen – Module und Ports– Module und Signale– Prozesse– Clocks– Signale, Variablen, Prozesse, Constructor

• „Lauflicht“ – ein Beispiel– Testbench und Hauptroutine– Compilieren und Simulieren

• Zusammenfassung und Quellen

27Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Testbench (1)

Stimulus Device Under Test

Results Checking

Hauptmodul

– Erzeugung von Testsignalen an Eingangsports– Erfassen von Ausgabewerten an Ausgabeports

28Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Testbench (2)

// count_stim.h#include "systemc.h"SC_MODULE(count_stim) {

sc_in<bool> load;sc_in<int> din; // input portsc_in<bool> clock; // input portsc_out<int> dout;void stimgen();

SC_CTOR(count_stim) {SC_THREAD(stimgen);sensitive_pos (clock);}

};

29Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Testbench (3)

// count_stim.cc#include "count_stim.h"void count_stim::stimgen() {while (true) {

load = true; // load 0din = 0;wait(); // count up, value = 1load = false;wait(); // count up, value = 2wait(); //count up, value = 3wait(); // count up, value = 4wait(); // count up, value = 5wait(); // count up, value = 6wait(); // count up, value = 7}

}

30Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

lauflicht.h#include "systemc.h"SC_MODULE(lauflicht) {sc_in<bool> clk; sc_in<bool> reset;sc_in<bool> en; sc_in<bool> dir; sc_out<sc_uint<8> > d_out;

sc_uint<8> data; void my_process();SC_CTOR(lauflicht) {SC_METHOD(my_process);sensitive_pos << clk;sensitive_neg << reset;

data = 0;d_out = 255;

}};

31Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

lauflicht.cpp#include "lauflicht.h"void lauflicht::my_process(){ if (reset.read()==0) { // asynchroner Resetdata=0;d_out=0;

}else {if (en==1) {

if (dir==1) { // von rechts nach linksdata = data << 1; if (data==0) {

data=1; }

} else { // von links nach rechtsdata = data >> 1;if (data==0) {

data=128;}

}}d_out=~data; } } // negiert auf Ausgang, da LEDs lowaktiv

32Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Hauptroutine – sc_main()

• Deklaration notwendiger Verbindungssignale

• Erzeugen aller benötigten Top-Level-Module

• Portmapping für Module durchführen

• Simulation starten – sc_start(n)– n … Anzahl Zyklen– n=-1 Simulation läuft kontinuierlich

33Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

main.cpp

#include "lauflicht.h"int sc_main(int argc, char* argv[ ]) {

// Verbindungssignalesc_signal<sc_uint<8> > DATA; sc_clock CLOCK("clock",10);sc_signal<bool> RESET,EN,DIR;// Portmapping für Lauflichtlauflicht lauflicht1("lauflicht");lauflicht1.clk(CLOCK);lauflicht1.d_out(DATA);lauflicht1.reset(RESET);lauflicht1.en(EN);lauflicht1.dir(DIR); // Simulation starten - 1000 Zyklensc_start(1000);

return(0);}

34Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Erstellen von Tracefiles (1)

• SystemC unterstützt Erzeugung von Waveform-Tracefiles• Formate: VCD, ASCII WIF, ISDB

• vor Simulationsc_trace_file * my_trace_file;

my_trace_file = sc_create_vcd_trace_file(“my_trace”);

sc_trace(my_trace_file,my_module.d_out,“my_module_d_out");

• nach Simulationsc_close_vcd_trace_file(my_trace_file);

35Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Erstellen von Tracefiles (2)

// Erzeugen eines VCD-Tracefile

sc_trace_file *my_trace_file;

my_trace_file = sc_create_vcd_trace_file("lauflicht_trace");

// Signalverfolgungen

sc_trace(my_trace_file,lauflicht1.clk,"lauflicht_clk");

sc_trace(my_trace_file,lauflicht1.reset,"lauflicht_reset");

sc_trace(my_trace_file,lauflicht1.d_out,"lauflicht_d_out");

// Simulation starten

sc_start(1000);

// VCD-Tracefile schliessen

sc_close_vcd_trace_file(my_trace_file);

36Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Compilieren und Simulieren

• make –f Makefile.gcc aufrufen– bei Problemen Pfad- und Quellcodeangaben überprüfen

• ./lauflicht.x ausführenspice% lauflicht.x

SystemC 2.0.1 --- Apr 4 2002 17:28:28Copyright (c) 1996-2002 by all Contributors

ALL RIGHTS RESERVED* resetting lauflicht ** start lauflicht *WARNING: Default time step is used for VCD tracing.lauflicht value :254lauflicht value :253lauflicht value :251lauflicht value :247lauflicht value :239lauflicht value :223lauflicht value :191

37Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

VCD-Waveformbetrachter - Windows

Winwave – frei verfügbar, basierend auf GTKWave

Signale anzeigen: <Search> <Signal Search Tree>

38Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Zusammenfassung

• Bedeutung von SystemC nimmt zu

• steigende Unterstützung in der Industrie

• Verbesserungen bei Synthese

• Übergang von RTL- zu System-Modellierung

• ideale Anwendung: System-on-Chip

39Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Quellen

• www.systemc.org• „SystemC Version 2.0 User‘s Guide“• „Functional Specification For SystemC 2.0“• Synopsys CoCentric SystemC Compiler „RTL User and Modeling

Guide“• Synopsys CoCentric SystemC Compiler „Behavioral User and

Modeling Guide“• Guido Arnout „OSCI Update“• Thorsten Grötker „Modelling Software with SystemC 3.0“• Jon Connell, Bruce Johnson „Early Hardware/Software Integration

Using SystemC 2.0“• http://www.geocities.com/SiliconValley/Campus/3216/GTKWave/gtkwave-win32.htm

40Einführung in SystemC FG IHS Prof. Andreas Mitschele-Thiel 22-Apr-03

Vielen Dank