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出版者:Springer-Verlag New York Inc

作者:Black, David C./ Donovan, Jack

出品人:

页数:262

译者:

出版时间:2005-10

价格:$ 111.87

装帧:Pap

isbn号码:9780387292403

丛书系列:

图书标签:

• SystemC
• 硬件描述语言
• 系统级设计
• 建模
• 仿真
• 验证
• 电子设计自动化
• EDA
• 数字电路
• 嵌入式系统
• VHDL

《SystemC：硬件抽象与系统级建模的新范式》 一、引言：探索SystemC的理论深度与实践广度 在当代电子系统设计日益复杂化的浪潮中，传统的设计方法论正面临前所未有的挑战。从最初的逻辑门到如今集成度惊人的SoC（System on Chip），设计的抽象层次不断提升，对模型的需求也愈发精细化和多样化。SystemC，作为一种基于C++的硬件描述和验证语言，凭借其独特的建模能力，正逐渐成为连接软件与硬件、系统级设计与详细设计的关键桥梁。本书旨在深入剖析SystemC的核心概念、建模范式、语言特性以及在不同设计阶段的应用。我们将不仅仅局限于语法和API的罗列，更会着重探讨SystemC如何改变硬件设计的思维方式，如何有效地提升设计效率，以及如何应对现代电子系统设计所面临的严峻挑战。通过系统性的阐述和详实的案例分析，读者将能够全面掌握SystemC的精髓，并将其灵活运用于实际的系统级建模和验证工作中。 二、SystemC的核心理念：抽象、并发与通信 SystemC的强大之处，源于其对硬件抽象、并发行为和通信机制的深刻理解与精确表达。 硬件抽象的层次： 传统的HDL（Hardware Description Language）往往直接描述门级或寄存器传输级（RTL）的行为，其抽象程度相对较低。SystemC则提供了一个多层次的抽象框架，允许设计者从最高级的系统架构描述，逐步细化到功能模型，直至可以驱动RTL生成的模型。这种分层抽象的能力，使得设计者可以在早期就对整个系统的功能和性能进行评估，避免后期昂贵的修改。本书将详细阐述SystemC如何支持从行为级（Behavioral）、事务级（Transaction-Level Modeling, TLM）到RTL级的不同抽象层次，并分析每种层次的建模优劣与适用场景。 并发行为的建模： 硬件的本质是并行执行的。SystemC通过引入“进程”（Processes）的概念，将并发行为的概念引入到软件环境中。这些进程可以在模拟器中并行执行，精确地模拟硬件的时序和交互。本书将深入讲解SystemC中的进程类型（如`SC_METHOD`、`SC_THREAD`、`SC_CTHREAD`），以及它们在描述不同类型的并发逻辑时的作用。我们将探讨如何利用进程间的同步与通信机制，实现复杂的并发控制，避免竞态条件，并确保模型行为的正确性。 通信机制的设计： 硬件组件之间通过总线、信号线等进行通信。SystemC提供了丰富的通信机制来模拟这些交互。从简单的信号（`sc_signal`）到复杂的接口（`sc_interface`）和通道（`sc_channel`），SystemC能够灵活地表达不同粒度的通信。其中，TLM（Transaction-Level Modeling）作为SystemC在系统级建模中的核心组成部分，为高效、高抽象度的通信建模提供了强大支持。本书将投入大量篇幅，详细解析TLM 2.0的标准，包括其核心的“阻塞传输”（blocking transport）和“非阻塞传输”（non-blocking transport）接口，以及如何构建高效的TLM模型，实现系统级组件的快速仿真和分析。 三、SystemC的语言特性与模块化设计 SystemC并非一个独立的语言，而是C++的一个类库，它继承了C++强大的面向对象特性，并在此基础上扩展了用于硬件描述和仿真的特有语法和结构。 面向对象的设计范式： C++的类、对象、继承、多态等特性，使得SystemC能够以一种高度模块化和可重用的方式来构建复杂的系统。本书将演示如何利用面向对象的思想，将硬件设计分解为独立的模块（Modules），每个模块封装了自己的行为和状态，并通过端口（Ports）与外界进行交互。这种模块化的设计方式，极大地提高了设计的可管理性、可复用性和可维护性。 核心组件解析： 模块（`sc_module`）： SystemC设计的基石，代表一个独立的硬件单元，包含逻辑、状态和端口。我们将探讨如何实例化模块，以及模块之间的层次化关系。 端口（`sc_port`）： 模块之间通信的接口，定义了模块能够提供的服务和能够请求的服务。本书将深入讲解端口的类型和连接机制，包括如何实现端口到端口的直接连接，以及通过通道进行间接通信。 信号（`sc_signal`）： 最基础的通信元素，用于传递单个值。我们将分析信号的驱动和读取方式，以及其在时序行为建模中的应用。 时钟（`sc_clock`）： 模拟硬件的时钟信号，是同步设计的基础。本书将讲解时钟的创建、配置以及在进程敏感列表中的作用。 事件（`sc_event`）： 用于进程间的显式同步和通知。我们将深入研究事件的定义、触发和等待机制，以及如何利用事件构建复杂的同步逻辑。 事件驱动仿真器： SystemC的仿真器是其核心的执行引擎。它基于事件驱动的原理，管理进程的调度和信号的更新。本书将解析SystemC仿真器的内部工作机制，包括时间推进、事件队列管理以及进程的唤醒与执行过程。理解仿真器的工作原理，对于编写高效、正确的SystemC模型至关重要。 四、SystemC在电子系统设计流程中的应用 SystemC并非孤立存在，而是能够无缝集成到现代电子系统设计的各个阶段，发挥其独特价值。 系统级建模与探索（System-Level Modeling & Exploration）： 在设计初期，SystemC的TLM建模能力允许设计者快速构建系统的高层模型，进行架构探索、性能分析和功耗估算。这有助于在早期发现设计瓶颈，评估不同技术方案的可行性，从而降低后期修改的风险和成本。本书将提供大量的TLM建模实例，展示如何利用SystemC实现从IP核到整机系统级的模型构建。 硬件/软件协同设计与验证（Hardware/Software Co-design & Verification）： SystemC能够统一硬件和软件的描述环境，使得软件开发人员可以在硬件尚未完成的情况下，使用SystemC模型进行软件的开发和验证。反之，硬件设计人员也可以利用SystemC模型来驱动软件的早期集成。本书将探讨SystemC在硬件/软件接口定义、软件驱动开发以及协同验证方面的应用，强调其在缩短开发周期、提高验证效率方面的作用。 模型验证与仿真（Model Verification & Simulation）： SystemC提供了强大的验证环境，可以用于对模型本身的行为进行验证。通过编写Testbench，利用SystemC的仿真机制，可以对模型进行功能测试、性能测试以及与参考模型进行对比。本书将深入讲解如何构建有效的SystemC Testbench，以及利用其丰富的功能进行模型验证。 接口标准与IP核建模（Interface Standards & IP Modeling）： 随着IP核设计的普及，SystemC成为了描述和验证IP核接口的标准语言之一。尤其是在AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）等总线协议的建模和验证中，SystemC扮演着至关重要的角色。本书将展示如何使用SystemC来建模各种标准的接口，以及如何对IP核进行功能和性能验证。 与RTL生成器的结合： SystemC模型可以逐步细化，最终驱动RTL代码的生成。虽然SystemC本身不是RTL生成器，但它提供了良好的建模基础，可以与一些支持SystemC-to-RTL转换的工具链配合使用。本书将探讨SystemC模型向RTL过渡的可能性和挑战，以及一些常用的转换策略。 五、高级主题与未来展望 除了核心的概念和应用，本书还将触及SystemC的一些高级主题，并对未来的发展进行展望。 事务级建模（TLM）的深入解析： 我们将进一步探讨TLM 2.0的进阶特性，例如不同通信协议（如AXI, AHB）的TLM适配，以及如何构建可重用的TLM组件库。 低功耗建模（Low-Power Modeling）： 随着功耗成为现代SoC设计的关键考量因素，SystemC也提供了相应的建模技术来分析和优化功耗。本书将介绍如何在SystemC中进行功耗建模和分析。 形式化验证集成（Formal Verification Integration）： SystemC模型可以与形式化验证工具结合，实现更严格的验证。我们将简要介绍如何将SystemC模型转化为形式化验证可用的格式。 SystemC生态系统与工具链： 本书将简要介绍当前SystemC的主流工具链，包括仿真器、调试器以及与EDA（Electronic Design Automation）工具的集成。 SystemC的未来发展趋势： 探讨SystemC在新兴技术领域（如人工智能芯片、异构计算）的应用前景，以及其未来在系统级设计中的演进方向。 六、结论：SystemC赋能下一代电子系统设计 SystemC已经不仅仅是一种建模语言，它更代表了一种全新的系统级设计思维。通过本书的系统性学习，读者将能够深刻理解SystemC的价值所在，掌握其核心技术，并将其应用于实际的设计与验证工作中，从而在日益激烈的竞争环境中，构建出更先进、更高效、更可靠的电子系统。SystemC赋能的，是面向未来的电子系统设计范式。

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