如何使用SystemC做RTL和C/C++的聯合仿真呢？

前言

當FPGA開發者需要做RTL和C/C++聯合仿真的時候，一些常用的方法包括使用MicroBlaze軟核，或者使用QEMU仿真ZYNQ的PS部分。

此教程介紹一種通過SystemC做RTL/C/C++聯合仿真的方法，所有的BFMs（Bus Function Module）都是通過SystemC完成。

文中所涉及的所有代碼均在Vivado和Modelsim/Questasim上做了驗證。

簡介

SystemC基礎

SystemC是標準C/C++語言的延伸，即可以描述硬件，也具有C/C++的特性。這個特點讓SystemC特別適合做系統級別的設計、建模以及驗證。

SystemC是周期精確的，其主要的組包括

信號，用來連接兩個或者多個模塊，提供了傳輸系統間傳輸與交流數據的通道。

端口，模塊的輸入、輸出接口。

模塊，類似VHDL里面的Entity和敏感列表。

主函數(sc_main)，與C/C++一致，函數的入口。

在SystemC中實例化一個RTL的實體

在SystemC中實例化一個RTL的實體很直觀，你只需要為其RTL實體手寫一個對應的SystemC的外部模塊，之后這個模塊就可以在SystemC的環境被被其它類調用。

下面將舉例說明如果在SystemC中構建一個VHDL的實體

示例 VHDL的設計

entitycounteris
port(
clk:instd_logic;
reset:instd_logic;
count:std_logic_vector(7downto0)
);
end;
architecturertlofcounteris
…
endrtl;

對應的SystemC模塊

classcounter:publicsc_foreign_module{
public:
sc_inclk;
sc_inreset;
sc_out>count;
counter(sc_module_namenm):sc_foreign_module(nm,"work.counter"),
clk("clk"),
reset("reset"),
count("count"){
}
};

需要注意的是，你還可以通過ModelSim/QuestaSim提供的scgenmod工具自動生成VHDL、Verilog對應的SystemC的模塊。

用SystemC設計BFMs

因為SytemC是通過時鐘驅動的, 在SystemC里面寫BFMs就變得很直接在SystemC中實現AXI4-Lite的讀操作可以如下,

u32Xil_In32(UINTPTRAddr){
u32data;
if(aresetn_i.read()==SC_LOGIC_0){
awaddr.write(0);
awvalid.write(SC_LOGIC_0);
wdata.write(0);
wvalid.write(SC_LOGIC_0);
bready.write(SC_LOGIC_1);
araddr.write(0);
arvalid.write(SC_LOGIC_0);
rready.write(SC_LOGIC_1);
}
else{
sc_core::wait(aclk_i.posedge_event());
araddr.write(addr);
arvalid.write(SC_LOGIC_1);
uint32_tnum_clocks=0;
while(arready.read()!=SC_LOGIC_1){
sc_core::wait(aclk_i.posedge_event());
num_clocks++;
if(num_clocks==m_timeout_clks){
arvalid.write(SC_LOGIC_0);
return-1;
}
}
arvalid.write(SC_LOGIC_0);
num_clocks=0;
while(rvalid.read()!=SC_LOGIC_1){
sc_core::wait(aclk_i.posedge_event());
num_clocks++;
if(num_clocks==m_timeout_clks){
return-1;
}
}
data=rdata.read().to_uint();
}
returndata;
}

在SystemC中實現AXI4-Lite的寫操作可以如下

voidXil_Out32(UINTPTRAddr,u32Value){
if(aresetn_i.read()==SC_LOGIC_0){
awaddr.write(0);
awvalid.write(SC_LOGIC_0);
wdata.write(0);
wvalid.write(SC_LOGIC_0);
bready.write(SC_LOGIC_1);
araddr.write(0);
arvalid.write(SC_LOGIC_0);
rready.write(SC_LOGIC_1);
}
else{
sc_core::wait(aclk_i.posedge_event());
awaddr.write(Addr);
awvalid.write(SC_LOGIC_1);
wdata.write(Value);
wvalid.write(SC_LOGIC_1);
uint32_tnum_clocks=0;
boolm_awready=false;
boolm_wready=false;
while((!m_awready)||(!m_wready)){
sc_core::wait(aclk_i.posedge_event());
if(awready.read()==SC_LOGIC_1){
m_awready.write(true);
awvalid.write(SC_LOGIC_0);
}
if(wready.read()==SC_LOGIC_1){
m_wready.write(true);
wvalid.write(SC_LOGIC_0);
}
num_clocks++;
if(num_clocks==m_timeout_clks){
awvalid.write(SC_LOGIC_0);
wvalid.write(SC_LOGIC_0);
return;
}
}
num_clocks=0;
while(bvalid.read()!=SC_LOGIC_1){
sc_core::wait(aclk_i.posedge_event());
num_clocks++;
if(num_clocks==m_timeout_clks){
return;
}
}
}
}

系統設計框圖

完整的系統框圖如下所示。清楚的展示是SystemC /DUT之間的調用關系。

軟件需求

在教程中，需要以下設計工具

Vivado Design Suite

Modelsim/Questasim

預先編譯的Vivado IP的仿真庫

示例工程

打開Vivado，創建一個空的工程。

在Vivado里面，打開Create and Package New IP wizard，選擇Create a new AXI4 peripheral，之后create an AXI4 peripheral using the default template。

使用scgenmod指令創建SystemC的外部模塊。

重寫xil_io.c文件，其實現是通過上面介紹的SystemC完成BFMs的方法。

編譯，連接。最后運行vsim。

測試結果

以下是Questasim的仿真結果，通過打印的信息可以看到 RTL和C/C++的聯合仿真功能的運行。

#vsim-t1psxil_defaultlib.Envxil_defaultlib.glbl-onfinishstop-Lxpm-Lunisims_ver-Lsecureip-Lunimacro_ver-Lxil_defaultlib-lsimlog.txt-assertdebug
#******************************
#*UserPeripheralSelfTest
#******************************
#Userlogicslavemoduletest...
#
#-slaveregisterwrite/readpassed
#
#**Note:(vsim-6574)SystemCsimulationstoppedbyuser.

審核編輯：劉清