SystemC入门学习-第8章测试平台的编写

之前的章节，一直把重点放在用SystemC来描述硬件电路上，即如何编写SystemC 的RTL。本章的注意力集中在验证和编写测试平台上。

重点包括：

如何生成时钟信号和激励波形
如何编写有响应能力的测试平台
如何记录仿真结果

8.1 编写测试平台

测试平台是检测并验证被测试设计正确定的模型。SystemC 不但可以描述设计，也可以编写测试平台。测试平台可以实现如下三个主要目标：

为仿真生成激励（波形）；
将激励施加到被测设计中并记录输出响应；
将输出响应与期望的输出值进行比较；

测试平台可以用多种不同的方式进行编写。如下是其中一种方式：

有三个主要模块，激励生成模块（stimulus.h, stimulus.cpp）, 输出的检测和比较模块（monitor.h和monitor.cpp），被测设计模块（dut.h和dut.cpp）。主程序main.cpp链接了这三个不同模块并将它们互相连接起来，构成一个测试平台。

另一种方式是：

将激励的生成和对输出的检测功能都嵌入到主程序中；或使用一个模块生成激励，而将检测比较和结果都嵌入到主程序中。

具体的方式完全根据用户、风格、测试和设计的复杂程度来决定。在规模比较大的设计中，上面第一种分成三个模块的风格是非常有用的，因为这些模块可能比较大。

下面的文件main.cpp展示了一个测试平台的结构

//这里包含其它文件（#include 编译指令）

int sc_main(int argc, char* argv[])
{
    //这里声明sc_signal, 用于连接所引用的不同实例模型

    //声明时钟 sc_clock

    //被测设计、激励模块和监测模块的实例引用

    //创建记录仿真波形的（trace）文件，并进行监测

    //仿真的开始和控制
}

必须为每一个准备测试的、使用SystemC描述的设计编写函数sc_main()。函数sc_main()是一个主程序，该主程序不但实例引用了被测设计模块，还引用了其它模块，他们在一起被编译和链接，最后生成一个可执行文件。当运行该可执行文件时，该主程序就会开始运行仿真。

在函数sc_main()中，模块的实例引用可通过两种途径来实现：1）将模块声明为对象；2）使用new操作符。
使用sc_signal和sc_clock声明的信号可用于连接实例的端口。可采用两种不同方式进行端口连接1）按端口名称进行连接；2）按端口位置进行连接。

sc_signal <bool> clk, resetn;
sc_signal <sc_uint<4> > din;
sc_signal <sc_lv<4> > dout;

tristate_reg tr1("tristate_reg_tr1"); //将模块声明为对象


//通过端口名进行信号连接
tr1.clock(clk);  
tr1.reset(resetn);
tr1.data_in(din);
tr1.data_out(dout);


tristate_reg tr2 = new tristate_reg ("tristate_reg_tr1"); //通过new操作符实现模块实例的引用
//通过端口位置进行信号连接
tr2 << clk << resetn << din << dout;

8.2 仿真控制

SystemC提供一下结构来协助仿真。

sc_clock 生成时钟信号
sc_trace 将仿真波形信息记录到一个指定格式的文件中
sc_start 启动并运行仿真到指定时间
sc_stop 停止仿真
sc_time_stamp 获取当前带时间单位的仿真时间
~~sc_simulation_time 获取当前不带时间单位的仿真时间~~
sc_cycle, sc_initialize 用于执行周期循环级仿真
sc_time 指定之间值

sc_clock

如下示例，时钟波形rclk的开关周期是10ns, 默认占空比是50%，默认初始值为真（1）；

时钟波形mclk周期是10ns, 占空比是20%，第一个跳变沿出现在5ns之后，且在第一个跳变沿之后值为假（0）；

第一个参数是时钟名称，必须指定时钟名称，如clka，如果没有指定周期，默认为1个默认时间单位。在SystemC中默认时间单位是1ns。所以clka周期是1ns,占空比50%，第一个跳变沿发生在0时刻，且在第一个跳变沿后的初始值为真。

sc_clock rclk("rclk", 10, SC_NS);
sc_clock mclk("mclk", 10, SC_NS, 0.2, 5, SC_NS, false);
sc_clock clka("clka");

sc_trace

SystemC可以通过三种不同格式来保存仿真结果，它们是是：

1）VCD（值变记录）格式；调用sc_create_vcd_trace_file()来打开文件，会自动加扩展名.vcd。

2）WIF(波形交换）格式；调用sc_create_wif_trace_file()来打开文件，会自动加扩展名.awif。

3）ISDB(统一信号数据库)格式。调用sc_create_isdb_trace_file()来打开文件，会自动加扩展名.isdb。

调用sc_trace()可以指定一些信号，并将它们的值保存在仿真波形记录文件中。通常最好将字符串参数名和信号名保持一致。

sc_trace(tfile, signal_name, "signal_name");

在退出测试平台sc_main()函数之前，必须选择相应的函数来关闭仿真波形记录文件。

sc_close_vcd_trace_file(tfile);

必须先打开仿真波形记录文件，然后在创建需要记录的信号后才能调用sc_trace()函数将波形记录到文件中。

VCD文件中的时间单位可以调用sc_set_vcd_time_uint()方法来设置。如下示例，该方法的参变量是一个时间单位，该时间单位是以10为底的指数。所以参变量-6对应的时间单位是μs。参变量默认值是-9（ns）。

sc_trace_file *trace_file = sc_create_vcd_trace_file("ahb_trans.vcd");
((vcd_trace_file *)trace_file)->sc_set_vcd_time_uint(-6);

可以将以∆周期（delta cycle）为节拍的仿真波形存入VCD文件中，波形观测器需要VCD文件才能显示仿真波形。使用函数delta_cycles()可以使能或禁止对以∆周期为节拍的仿真波形进行记录。参变量为真，则开始记录波形，为假，则停止记录仿真波形。

trace_file->delta_cycles(true);
...
trace_file->delta_cycles(false);
...
trace_file->delta_cycles(true);
...

sc_start/sc_stop

sc_start()方法告诉仿真内核启动仿真。该方法的调用必须出现在实例引用所有模块之后，也必须出现在调用所有仿真波形记录函数之后。

下面是调用的方法示例，在仿真过程中可以多次调用函数sc_start()，若需要重新启动仿真，则只需要启动仿真的执行文件即可。

sc_start(100, SC_MS);  //启动仿真并运行100ns

sc_start(-1);  //启动仿真并一直运行

任何进程都可以调用sc_stop()方法来停止仿真，调用格式如下，不需要任何参数，在调用sc_stop()之后，不能在调用sc_start()方法。

sc_stop();

sc_time_stamp/sc_simultion_time

sc_time_stamp()方法用于返回当前的仿真时间（带有时间单位）。例如：

cout << "Current time is "<< sc_time_stamp() <<endl;

将打印如下信息：

Current time is 25ns

sc_simultion_time在最近的SystemC版本已经被IEEE_Std_1666/deprecated，下面是之前老版本的定义。

sc_simulation_time()方法根据默认的时间单位，以double(不带时间单位的双精度）类型的整数值格式返回当前仿真时间，例如：

double current_time = sc_simulation_time();
cout << "Time now is %f" <<current_time <<endl;

将打印如下信息：

Tiem now is 96

sc_cycle/sc_initialize

这两个方法用于执行按周期节拍的仿真。例如想每过10个时间单位就计算一次设计的输出结果，就须使用周期节拍的仿真。这种情况下，不要使用方法sc_start()，而要使用sc_initialize()和sc_cycle()这两个方法。

sc_initialize()方法用于对仿真内核进行初始化。sc_cycle()方法执行所有准备运行的进程，直到不再需要有进程执行，但这将需要许多个∆周期节拍。在仿真时间再次前进指定的时间长度之前，sc_cycle()方法会将一些必要信号的仿真信息记录下来。

下面语句将仿真所有进程，并将仿真时间向前推进10μs。

sc_cycle(10, SC_US);

sc_time

sc_time用于声明由参量表示的时间值，如10ns, 20ps等。由sc_time声明的变量可以在需要指定时间值的地方使用，如sc_clock()和sc_start()中。

sc_time t1(100, SC_NS);
sc_time t2(20, SC_PS); //指定t2的值为20ps

//这两种方式等价
sc_start(t1);
sc_start(100, SC_NS);


sc_cycle(t2);

sc_time period(10, SC_NS);
sc_time start_time(2, SC_NS);
sc_clock fclk("fclk", period, 0.2, start_time, true);

时间单位有如下几种： SC_FS, SC_PS, SC_NS, SC_US, SC_MS, SC_SEC。

默认的时间分辨率是1ps。可以通过sc_set_time_resolution()来修改。例如：

sc_set_time_resolution(100, SC_PS);

指定时间分辨率只能是10的幂，并且经常是在主程序sc_main()的最开始处指定一次时间分辨率。

打印不同时间单位的转换函数有：

sc_time curr_time = sc_time_stamp();

cout <<"As double: " << curr_time.to_double() <<endl;
cout <<"In seconds: " << curr_time.to_seconds() <<endl;
cout <<"In default time units: " << curr_time.to_default_time_units() <<endl;
cout <<"In string form:" << curr_time.to_string() <<endl;

cout <<"sc_time_stamp():" << sc_time_stamp() <<endl;

打印如下：

As double: 100000
In seconds: 1e-07
In default time units: 100
In string form:100 ns
sc_time_stamp():100 ns

8.3 波形

普通波形，如时钟波形，可以通过调用sc_clock声明语句来生成。实际上，也可以通过在模块中使用SC_METHOD类型进程来生成任意类型的波形。

示例1，建模任意波形

SC_THREAD类型的进程prc_wave何时执行呢？在初始化时刻。所有进程都在初始化时刻（即在仿真开始之前的瞬间）执行一次。根据进程的执行，输出端口sig_out被赋值为0。接下来等待语句使得进程prc_wave被挂起并等待5ns。在5ns之后，sig_out被赋值1，然后该进程被挂起2ns，后面过程类似。

#include "systemc.h"

SC_MODULE(wave){
    sc_out <bool> sig_out;

    void prc_wave();

    SC_CTOR(wave){
        SC_THREAD(prc_wave);
    }

};

void wave::prc_wave(){
    sig_out = 0;
    wait(5, SC_NS);
    sig_out = 1;
    wait(2,SC_NS);
    sig_out = 0;
    wait(5, SC_NS);
    sig_out = 1;
    wait(8,SC_NS);
    sig_out = 0;
}

示例2，建模复杂的重复波形

如果想每100ns重复一次上面的波形，那怎么办呢？可以在SC_THREAD类型进程使用一个永不停止的while循环语句来实现。如下：

void wave::prc_wave(){
    sig_out = 0;
    wait(5, SC_NS);
    sig_out = 1;
    wait(2,SC_NS);
    sig_out = 0;
    wait(5, SC_NS);
    sig_out = 1;
    wait(8,SC_NS);
    sig_out = 0;
    wait(80, SC_NS);
}

示例3，自定义时钟发生器

#include "systemc.h"

const int START_VALUE = 0;
const int INITIAL_DELAY = 5;
const int FIRST_DELAY = 2;
const int SECOND_DELAY = 3;


SC_MODULE(myclock){
    sc_out <bool> clk_out;

    void prc_myclock();

    SC_CTOR(myclock){
        SC_THREAD(prc_myclock);
    }

};

void myclock::prc_myclock(){
    clk_out = START_VALUE;
    wait(INITIAL_DELAY, SC_NS);

    while(1){
        clk_out = !(clk_out);
        wait(FIRST_DELAY, SC_NS);
        clk_out = !clk_out;
        wait(SECOND_DELAY, SC_NS);
    }
}

示例4，完整测试平台搭建的生成一个衍生时钟

pulse.h文件

#include "systemc.h"

#define DELAY 2, SC_NS
#define ON_DURATION 1, SC_NS

SC_MODULE(pulse){
    sc_in <bool> clk;
    sc_out <bool> pulse_out;

    void prc_pulse();

    SC_CTOR(pulse){
        SC_THREAD(prc_pulse);
        sensitive_pos << clk;
    }

};

void pulse::prc_pulse(){
    pulse_out = 0;

    while(true){
        wait();
        wait(DELAY);
        pulse_out = 1;
        wait(ON_DURATION);
        pulse_out = 0;
    }
}

SC_THREAD进程可以带敏感列表，也可以不带敏感列表；prc_pulse中while的第一个wait()等待语句是等待敏感列表中的某个信号发生变化。

pulse_main.cpp

#include "pulse.h"

int sc_main(int argc, char * argv[]){
    sc_signal <bool> pout;
    sc_trace_file *tf;
    sc_clock clock("master_clk", 5, SC_NS);

    //pulse模块的实例引用
    pulse p1("pulse_p1");
    p1.clk(clock);
    p1.pulse_out(pout);

    //创建仿真波形记录文件pulse.vcd， 并设置需要记录波形的信号
    tf = sc_create_vcd_trace_file("pulse");
    sc_trace(tf, clock, "clock");
    sc_trace(tf, pout, "pulse_out");

    sc_start(100, SC_NS);
    sc_close_vcd_trace_file(tf);
    cout<<"Finished at time " << sc_time_stamp() <<endl;
    return 0;

}

另外：

激励数据可以从文件中读取，然后加载到被测设计中。
还有一种激励是响应性激励，这种类型的激励源所生成的下一个激励取决于被测平台的当前状态。换言之，测试平台会根据被测设计的状态产生相应的激励。如进行数的阶乘计算的阶乘设计。

8.4 监视行为

监视行为包括：

1）判断仿真结果是否正确

将一个向量施加到被测设计的输入端口，在指定时间后，在输出端口进行采样，然后验证输出响应与期望值是否一致。

2）把结果保存到文本文件中

通过使用C++语言中文件写入（输出流）功能，可将被测设计的输出值保存到文本文件中，需要注意的是：当打印数值时，打印的是当前时刻的信号值，而不是按计划在下一个∆时刻被赋的值。

8.5 更多示例

测试平台的示例demo将包括如下。将用单独的博文分别介绍。

触发器
带同步输出的多路选择器
全加器
周期节拍级仿真

8.6 在sc_main内的语句顺序

SystemC对函数sc_main()中语句出现的先后顺序是敏感的。sc_main()函数基本上是一段有序程序，即按顺序执行的程序，因此期望程序的语句是有一定顺序的：

所有模块引用和互连必须出现在调用任何仿真波形记录函数之前。
在仿真启动之前，必须首先打开仿真波形的记录文件，然后再调用记录仿真波形的函数。
若使用sc_set_time_resolution()方法来改变默认的时间分辨率（1ps），则该方法必须出现在任何sc_time对象被创建之前。
在调用sc_start()之后不可以再出现模块的实例调用

8.7 跟踪记录集合类型

sc_trace()方法被预定义用于SystemC类型和其他的C++标量类型。为了记录数组或者结构类型，必须编写自己的sc_trace()重载方法来记录单个部件的值。

请考虑下面这个数组的声明，若想使用sc_trace()函数来记录reg_file的变化，则必须定义如下重载函数类型。

bool reg_file[NUM_BITS];

const int MAXLEN = 8;
void sc_trace(sc_trace_file *tfile, bool *v, const sc_string &name, int arg_length){
    char mybuf[MAXLEN];

    for(int j = 0; j<arg_length; j++){
        sprintf(mybuf, "[%d]", j);
        sc_trace(tfile, v[j], name+mybuf);
    }
}

上述声明之后，就可以用以下语句调用sc_trace函数来记录仿真的波形了。

sc_trace(tf, reg_file, "reg_file", NUM_BITS);

如果不想编写独立的sc_trace()重载函数，也可将上面的功能简单的按行写到（inline）函数sc_main()中，而不须再调用sc_trace()函数来记录reg_file的变化。

借助于模板（template）可以使sc_trace()函数适用于任何类型的数组。下面这段代码假设这两个数组的元素类型允许通过调用sc_trace()函数来记录它们的变化。

template <class T>
void sc_trace (sc_trace_file *tfile, const T array_var[], const sc_string &name, int arg_length){
    for (int j = 0; j < arg_length; j++){
        sc_trace(tfile, array_var[j], name + "." + sc_string:: to_string("%d", j));
    }
}

//调用的示例
sc_signal <float> qms[4];
int mlef[8];

sc_trace(tfile, qms, "qms", 4);
sc_trace(tfile, mlef, "mlef", 8);

对结构也可以进行类型的跟踪记录。可以编写一个sc_trace()重载方法，也可以只对个别成员编写sc_trace()调用来实现对结构的跟踪记录。若信号是结构类型的，则必须提供带其它重载操作符的sc_trace()重载方法。

struct packet{
    sc_uint<2> packet_id;
    bool packet_state;
};

//为packet类型编写的sc_trace()重载方法
void sc_trace(sc_trace_file *tfile, const packet&v, const sc_string &name){
    sc_trace(tfile, v.packet_id, name + ".packet_id");
    sc_trace(tfile, v.packet_state, name +".packet_state");
}

有了上述函数声明语句后，就能以如下形式调用sc_trace()方法了。

//集合类型信号
sc_signal <packet> saved;
sc_trace(tf, saved, "saved");

8.8 跟踪记录枚举类型

SystemC提供了记录枚举类型值的功能。不过没有什么特别的地方，使用C++编码风格即可。