Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC

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1 Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC Valentino Liberali Dipartimento di Tecnologie dell Informazione Università di Milano, Crema liberali@dti.unimi.it liberali Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 1 Hardware-Software Co-Design (1/3) Evoluzione del concetto di sistema elettronico : dalla (semplice) integrazione di blocchi all integrazione di funzioni. Le funzioni possono essere integrate sotto forma di: blocchi hardware dedicati Vantaggi: ottimizzazione del blocco, velocità di esecuzione, minor consumo di potenza Svantaggi: mancanza di flessibilità software Vantaggi: riconfigurabilità, portabilità, facilità di aggiornamento Svantaggi: necessità di caricamento del programma e dei dati, minore velocità di esecuzione, maggior consumo di potenza Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 2 1

2 Hardware-Software Co-Design (2/3) Approccio tradizionale: partizionamento iniziale tra hardware e software e ripartizione del progetto tra progettisti hardware e progettisti software. Svantaggi: necessità di definire a priori l interfacciamento tra hardware e software (numero di bit dei registri e dei bus, istruzioni elementari supportate, possibilità di uso della virgola mobile, coprocessore,... ); uso di differenti strumenti software e linguaggi (esempio: VHDL per la parte hardware, ANSI C per la parte software) con necessità di tradurre per poter verificare il progetto completo. Ogni modifica al progetto hardware richiede di adattare il software. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 3 Hardware-Software Co-Design (3/3) Nuovo approccio: Hardware-Software Co-Design (Co-progettazione di hardware e software): Si progetta il sistema come un insieme di blocchi funzionali senza definirne a priori l implementazione. Vantaggio: possibilità di scegliere dopo la verifica se realizzare in hardware o in software ogni funzione Necessità di uno strumento unificato per la progettazione. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 4 2

3 SystemC (1/3) SystemC è un estensione del linguaggio C/C++ che permette di ottenere un modello eseguibile di un sistema hardware/software. Un modello eseguibile è un programma (scritto in C o C++, con le estensioni SystemC) che emula il funzionamento del sistema, e può essere eseguito su una piattaforma qualsiasi. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 5 SystemC (2/3) SystemC è stato inizialmente sviluppato da: Synopsis UC Irvine Infineon IMEC e in seguito dalla OSCI (Open SystemC Initiative), che ha i seguenti gruppi di lavoro: Language Working Group (LWG) Verification Working Group (VWG) Synthesis Working Group (SWG) Transaction-level Modeling Working Group (TLMWG) Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 6 3

4 SystemC (3/3) Il codice e la documentazione di SystemC sono disponibili al sito: (è richiesta la registrazione gratuita). Requisiti: può essere installato su piattaforme UNIX o Windows MA richiede specifiche versioni del compilatore C++ (esempio: per Linux occorre gcc oppure gcc-3.2.3, disponibili con le distribuzioni RedHat). (Nota: SystemC funziona con RedHat 7.3 e gcc-2.96.) Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 7 SystemC Overview Methodology-Specific Libraries Master/Slave library, etc. Layered Libraries Verification library Primitive Channels TLM library, etc. Signal, Fifo, Mutex, Semaphore, etc. Structural Elements Data Types Modules 4-valued logic Ports Bits and Bit Vectors Interfaces Arbitrary Precision Integers Channels Fixed-point types Event-driven Simulation Events, Processes C++ Language Standard Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 8 4

5 Tipi di dato I tipi di dato tengono conto delle risorse hardware: bit (sc_bit): {0, 1} logico (sc_logic): {0, 1, X, Z} vettore di N bit (sc_bv<n>) vettore di N valori logici (sc_lv<n>) intero senza segno a N bit (sc_uint<n>) intero con segno a N bit (sc_int<n>) Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 9 Tempo Il tempo è un tipo di oggetto (sc_time) che viene specificato con un numero (int o double) e un unità di misura (SC_FS, SC_PS, SC_NS, SC_US, SC_MS, SC_SEC) dal femtosecondo al secondo. Si definisce la risoluzione temporale del simulatore, che è l intervallo di tempo minimo considerato durante la simulazione: sc_set_time_resolution(10, SC_PS); La risoluzione temporale può essere una delle unità di tempo predefinite, oppure un multiplo o sottomultiplo di 10 (o potenza di 10). Internamente il tempo è rappresentato da un intero senza segno (a 64 bit), che indica il numero di intervalli minimi trascorsi gli istanti non multipli della risoluzione temporale vengono arrotondati. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 10 5

6 Moduli (1/2) Il modulo è uno degli elementi fondamentali in cui il progetto è partizionato. È dichiarato con la macro SC_MODULE, specificando le porte, i processi, i dati e i canali interni (ad esempio, la memoria di stato per una FSM), e, per i progetti gerarchici, gli altri moduli che lo compongono: SC_MODULE(Adder) { sc_in<int> a; sc_in<int> b; sc_out<int> c; void compute() { c = a + b; } SC_CTOR(Adder) { SC_METHOD(compute); sensitive <<a <<b; } } Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 11 Moduli (2/2) sc_in<int> a; sc_in<int> b; sc_out<int> c; Il modulo ha due porte di ingresso (a e b) e una porta di uscita (c), tutte di tipo int. void compute() { c = a + b; } Il modulo contiene la funzione compute, che somma i due numeri in ingresso e assegna all uscita il risultato. SC_CTOR(Adder) { SC_METHOD(compute); sensitive <<a <<b; } La chiamata del costruttore (SC_CTOR) definisce i processi con la relativa sensitivity list: qui un processo di tipo metodo (SC_METHOD), costituito dalla funzione compute e attivato da un evento su a o b. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 12 6

7 Processi I processi sono di due tipi: metodo (SC_METHOD), eseguiti sequenzialmente dalla prima istruzione; thread (SC_THREAD), eseguiti partendo dal punto in cui sono stati sospesi (ad esempio, con l istruzione wait()). I processi di tipo thread hanno memoria e permettono di definire le macchine a stati in modo più semplice. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 13 Eventi Gli eventi (oggetti di tipo sc_event) sono condizioni che determinano l esecuzione di processi. Un evento può essere notificato: IMMEDIATAMENTE (cioè PRIMA che le uscita siano aggiornate; dopo un ritardo infinitesimo ( delta-delay ), durante il quale vengono aggiornate le uscite; dopo un ritardo specificato t: e.notify(t) inserisce l evento e nella coda degli eventi dopo un tempo t. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 14 7

8 Sensitivity list La variabile sensitive può ricevere in ingresso (tramite l operatore <<) un numero arbitrario di porte: sensitive <<a <<b; L ultimo processo dichiarato risulta sensibile agli eventi su queste porte. La sensitivity list deve seguire immediatamente la dichiarazione del processo. Oltre alla sensitivity list statica, dichiarata attraverso la variabile sensitive, si può definire per i processi thread una sensitività dinamica, che sostituisce temporaneamente quella statica, specificando un evento (o una combinazione di eventi) come argomento della funzione wait() all interno del processo stesso: wait(e1 & e2 & e3); Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 15 Gerarchia e istanze (1/2) SC_MODULE(Add3) { sc_in<int> x1; sc_in<int> x2; sc_in<int> x3; sc_out<int> y; sc_signal<int> temp; Adder* adder1; Adder* adder2; SC_CTOR(Add3) { adder1 = new Adder("adder1"); (*adder1)(x1, x2, temp); adder2 = new Adder("adder2"); adder2->c(y); adder2->a(temp); adder2->b(x3); } } Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 16 8

9 Gerarchia e istanze (1/2) In un approccio strutturale di tipo gerarchico, un modulo può essere istanziato da altri moduli. Ogni istanza deve avere un nome (stringa di caratteri), oltre che un idenfificatore. Le porte possono essere assegnate in modo implicito (elenco): (*adder1)(x1, x2, temp); in modo esplicito: adder2->c(y); adder2->a(temp); adder2->b(x3); La semplice definizione di un modulo non ne provoca l istanziazione. Di conseguenza, il top level deve contenere almeno una istanza. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 17 Simulazione (1/2) 1. Inizializzazione: all inizio, tutti i processi SC_METHOD sono eseguiti una volta e i processi SC_THREAD sono eseguiti fino alla prima istruzione wait(). Per evitare che un processo venga inizializzato, bisogna chiamare la funzione dont_initialize() nel costruttore. 2. Valutazione: finché ci sono processi da eseguire, un processo viene scelto ed eseguito. La notifica IMMEDIATA di un evento può aggiungere processi all insieme di processi da eseguire. 3. Aggiornamento: vengono aggiornati i valori dei canali (segnali in uscita). L aggiornamento può causare la notifica di eventi (con ritardo delta o con ritardo finito). Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 18 9

10 Simulazione (2/2) 4. Notifica: se ci sono notifiche di eventi con ritardo delta, si genera l elenco dei processi da valutare e si riparte da Test di fine simulazione: se la lista degli eventi è vuota, la simulazione finisce qui. 6. Avanzamento del tempo: il tempo si simulazione viene fatto avanzare fino al primo evento della lista; viene generato l elenco dei processi sensibili e si riparte da 2. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 19 Installazione Gli esempi sono stati eseguiti usando SystemC 2.1.v1 scaricato dal sito e installato su Gentoo Linux con compilatore Gnu CC gcc L installazione è stata eseguita scaricando l archivio compresso systemc-2.1.v1.tgz, scompattandolo, e seguendo le instruzioni del file INSTALL. La directory di installazione è /opt/systemc-2.1.v1/. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p

11 Makefile (1/3) SystemC richiede che nel programma sorgente C++ (.cpp) sia inserita la riga: #include "systemc.h" che richiama tutti i files sorgenti che definiscono le classi. Nelle direttive per il compilatore, occorre includere le directory contenenti header files e librerie. Questo può essere fatto usando gmake con un opportuno Makefile. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 21 Makefile (2/3) # Makefile per: lfsr TARGET_ARCH = linux CXX = g++ SYSCDIR = /opt/systemc-2.1.v1 SRCDIR =. H_FILES = CXX_FILES = lfsr.cpp OBJECTS = lfsr.o SOURCES = $(CXX_FILES) $(H_FILES) INCLUDES = -I. -I$(SRCDIR) -I$(SYSCDIR)/include LDADD = -L$(SYSCDIR)/lib-$(TARGET_ARCH) -lsystemc -lm LIBS = CPPFLAGS = CXXFLAGS = -Wall -DSC_INCLUDE_FX -O3 LDFLAGS = Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p

12 Makefile (3/3) # Makefile (continuazione) CXXLD = $(CXX) CXXCOMPILE = $(CXX) $(INCLUDES) $(CPPFLAGS) $(CXXFLAGS) CXXLINK = $(CXXLD) $(CXXFLAGS) $(LDFLAGS) -o $@ lfsr: $(SOURCES) $(OBJECTS) $(CXXLINK) $(LDFLAGS) $(OBJECTS) $(LDADD) $(LIBS).cpp.o: $(CXXCOMPILE) -c -o $@ $< Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 23 Main Il programma sorgente deve contenere la funzione sc_main() (invece di main()), che ritorna un intero (secondo la convenzione, il valore ritornato è 0 in caso di successo). Alla funzione sc_main() vengono passati i soliti parametri: (int argc, char* argv[]). int sc_main( int argc, char* argv[] ) { return 0; } // end sc_main() Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p

13 Tempo Il tempo è un tipo di oggetto (sc_time) che viene specificato con un numero (int o double) e un unità di misura (SC_FS, SC_PS, SC_NS, SC_US, SC_MS, SC_SEC) dal femtosecondo al secondo. Si definisce la risoluzione temporale del simulatore, che è l intervallo di tempo minimo considerato durante la simulazione: sc_set_time_resolution(10, SC_PS); La risoluzione temporale può essere una delle unità di tempo predefinite, oppure un multiplo o sottomultiplo di 10 (o potenza di 10). Internamente il tempo è rappresentato da un intero senza segno (a 64 bit), che indica il numero di intervalli minimi trascorsi gli istanti non multipli della risoluzione temporale vengono arrotondati. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 25 Temporizzazione (1/2) Una rete sincrona deve avere un clock, definito in sc_main() con un nome e un periodo. Opzionalmente, si possono specificare: il duty-cycle, il valore di partenza, e l istante del primo fronte. Il clock fornisce una variabile di tipo bool. Esempio: sc_clock ck("ck", 2, SC_NS); Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p

14 Temporizzazione (2/2) I moduli sincroni devono avere il segnale di clock sia in ingresso, sia nella sensitivity list. Esempio: sensitive << ck; È possibile specificare la sensitività ad un solo fronte di clock: sensitive << ck.pos(); oppure sensitive << ck.neg(); Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 27 Esempio 1: registro edge triggered SC_MODULE(reg) { sc_in<bool> ck; sc_in<bool> in; sc_out<bool> out; SC_CTOR(reg) { SC_METHOD(shift); sensitive << ck.pos(); } }; void shift() { out = in.read(); } Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p

15 Esempio 2: rete combinatoria SC_MODULE(clogic) { sc_in<bool> a; sc_in<bool> b; sc_in<bool> c; sc_in<bool> d; sc_out<bool> y; SC_CTOR(clogic) { SC_METHOD(main); sensitive << a << b << c << d; } }; void main() { y = (c ˆ d)!(a b c); } Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 29 Simulazione La parte iniziale della funzione sc_main() deve contenere la definizione di clock, segnali e istanze dei moduli. Avvio della simulazione per un tempo specificato: sc_start(40, SC_NS); È anche possibile avviare la simulazione senza specificare il tempo; in questo caso, la simulzione continua fino alla chiamata alla funzione sc_stop(). Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p

16 Stampa dei risultati in uscita (1/2) Per stampare, può essere utile definire un modulo di uscita, avente come ingressi tutti i segnali da stampare. Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 31 Stampa dei risultati in uscita (2/2) SC_MODULE(output) { sc_in<bool> a; sc_in<bool> b; sc_in<bool> ck; SC_CTOR(output) { SC_METHOD(print); sensitive << ck.pos() << ck.neg(); } }; void print() { cout << "Time " << sc_time_stamp() << ":: ""; cout << a.read() << b.read() << "\n"; } Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p

17 Esempio: LFSR a 4 bit Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p. 33 Bibliografia T. Grötker, S. Liao, G. Martin, and S. Swan, System Design with SystemC. Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, USA, Elettronica dei Sistemi Digitali Hardware-Software Co-Design e SystemC p