【SystemC初认识】SystemC是什么？有哪些主要组件？如何简单使用？

1 SystemC简介

• SystemC 是一种基于 C++ 的硬件描述语言（HDL），常用于硬件系统的建模、仿真以及验证；
• 允许开发者在一个系统级别（即硬件和软件的结合）上描述和模拟复杂的系统；
• SystemC 既适用于硬件设计，也适用于嵌入式软件开发；
• SystemC 的核心在于其基于 C++ 的编程模型，它扩展了 C++ 的特性，使其能够进行硬件系统建模；
• SystemC 提供了一些类和库，以便开发者描述硬件组件、模块之间的交互以及时间上的顺序。

以下是介绍 SystemC 的使用方法，涵盖其基本概念、建模方式、仿真过程等。

2 主要组件

组件	说明
模块（Module）	在 SystemC 中，一个硬件系统通常是由多个模块组成的。每个模块可以包含输入、输出端口，提供功能实现等
端口（Port）	端口用于连接模块，支持信号传递。SystemC 支持两种主要的端口类型：输入端口和输出端口
信号（Signal）	信号是模块之间传输数据的主要方式，类似于硬件电路中的线
进程（Process）	进程描述了模块中执行的行为，它可以是 SC_METHOD 或 SC_THREAD 类型

3 关于时序与调度

• SystemC 中的仿真基于事件驱动的模型，类似于硬件中的时钟周期。仿真器通过调度进程来驱动系统的演化。

4 如何安装

4.1 安装C++编译器

• 在使用 SystemC 之前，安装 SystemC 库；
• 安装 C++ 编译器和工具：

sudo apt-get install g++ make

4.2 安装SystemC 库

• 下载 SystemC 库：

wget https://github.com/accellera-official/systemc/archive/refs/tags/3.0.1.tar.gz

• 解压并进入目录：

tar -zxvf 3.0.1.tar.gz
cd systemc-3.0.1

• 编译和安装 SystemC

./configure
make
sudo make install

5 SystemC代码示例

以下代码来源于网络：

#include <systemc.h>SC_MODULE(AndGate) {sc_in<bool> a, b;   // 输入端口sc_out<bool> y;     // 输出端口// 定义一个方法进程void do_and() {y.write(a.read() && b.read());  // 输出为输入的与运算结果}// 构造函数，绑定进程SC_CTOR(AndGate) {SC_METHOD(do_and);sensitive << a << b;  // 当 a 或 b 发生变化时，执行 do_and}
};int sc_main(int argc, char* argv[]) {// 创建信号sc_signal<bool> sig_a, sig_b, sig_y;// 实例化与门模块AndGate and_gate("AndGate");// 连接信号与模块端口and_gate.a(sig_a);and_gate.b(sig_b);and_gate.y(sig_y);// 激活仿真sc_start(1, SC_NS);  // 运行 1 纳秒的仿真// 设置输入信号并再次运行仿真sig_a.write(true);sig_b.write(false);sc_start(1, SC_NS);// 输出结果cout << "Output: " << sig_y.read() << endl;return 0;
}

• 说明：

代码	说明
SC_MODULE	定义一个硬件模块 AndGate
sc_in 和 sc_out	用于定义输入和输出端口
SC_METHOD	声明一个方法进程，表示该方法在指定的端口发生变化时被触发
sensitive << a << b	声明一个方法进程，表示该方法在指定的端口发生变化时被触发
sc_signal	信号，用于连接模块和模块之间的端口

6 关于SystemC 仿真与调度

• SystemC 仿真通常在 sc_main() 函数中进行，sc_start() 用来启动仿真；
• 系统中的每个模块可以通过进程定义自己的行为；
• 仿真是通过事件调度机制执行的，所有的进程都是通过事件的触发来进行调度的。
• sc_start()：启动仿真，并指定运行的时间，例如 sc_start(10, SC_NS) 会模拟 10 纳秒的时间；
• SC_METHOD 和 SC_THREAD：这两种进程类型用于定义模块的行为；
• SC_METHOD 是事件驱动的，SC_THREAD 可以创建一个独立的线程，支持更复杂的时序控制。

7 SystemC 中的常用类和函数

函数	说明
sc_signal	用来定义信号，类似于硬件中的总线或线
sc_clock	定义时钟信号
sc_time	表示仿真中的时间，通常用于设置仿真时长和周期

8 常见的设计模式

在 SystemC 中，你可以使用以下几种设计模式：

• 数据流模式：适用于需要数据传递的系统，模块之间通过信号传递数据；
• 行为描述模式：适用于描述系统内部的功能操作，例如使用进程描述计算和控制逻辑；
• 结构化设计模式：通过模块化、层次化设计，系统能够更加清晰、易于管理。

9 更复杂的仿真

• 对于更复杂的仿真，你可以使用 SystemC 的调度机制来控制仿真时间。例如，使用 sc_event 处理不同模块之间的事件和同步。

sc_event event1;
SC_THREAD(thread_function);

• 在一个多进程的仿真中，可以使用事件进行进程间的同步，以确保不同模块按照特定顺序执行。

10 调试和验证

在仿真过程中，可以使用 std::cout 输出信息进行调试，还可以使用波形生成工具（例如 VCD 文件）进行可视化调试。生成波形文件：

sc_trace_file *wf = sc_create_vcd_trace_file("waveform");
sc_trace(wf, sig_a, "A");
sc_trace(wf, sig_b, "B");
sc_trace(wf, sig_y, "Y");

11 高级功能

SystemC 还支持多种高级功能，包括：

• SystemC TLM（Transaction-Level Modeling）：用于高层次的系统建模，支持更高效的仿真；
• 系统级仿真：可以结合其他工具（如硬件仿真器、软件工具链）进行综合仿真。