摘要：新型復(fù)雜的系統(tǒng)集成電路芯片（soc）常常應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，因此需要對(duì)其所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境建模與仿真，這意味著要能夠?qū)π酒瑫r(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模和傳統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)的建模。本論文介紹了一種時(shí)序的建模與仿真方法，它集成了系統(tǒng)建模語(yǔ)言（systemc）和網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境（ns-2），使用這種集成建模與仿真環(huán)境可以顯著地加速具有網(wǎng)絡(luò)通信需求的芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程。
1 引言
現(xiàn)代系統(tǒng)集成電路芯片（soc）對(duì)通信能力的需求逐漸增加，通常要求設(shè)備能隨意接人、可自由移動(dòng)或者在非友好環(huán)境下工作或可接人周圍網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。對(duì)于集成電路芯片而言，由于片上總線架構(gòu)對(duì)其性能有重要影響，此時(shí)系統(tǒng)的通信議題顯得至關(guān)重要。根據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖的報(bào)告[1]，對(duì)于65nm以下的技術(shù)而言，由于電源和時(shí)延的問題，在復(fù)雜度高的芯片上要保持全局時(shí)鐘的有效同步是不可能的。通常采用的是全局異步、局部同步的辦法，即gals[2]，這時(shí)不同的時(shí)鐘模塊之間就像網(wǎng)絡(luò)里不同的計(jì)算機(jī)之間一樣通信，由此而引入了面向網(wǎng)絡(luò)的片上架構(gòu)。
因此對(duì)具有網(wǎng)絡(luò)通信需求的系統(tǒng)集成電路進(jìn)行建模時(shí)，可以考慮：系統(tǒng)的一部分在傳統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)、面向硬件的環(huán)境里建模，而網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部分則在網(wǎng)絡(luò)建模工具里描述。通過(guò)這種方式，可以獲得集成電路系統(tǒng)在與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境交互時(shí)的初步反饋，并在下一改進(jìn)級(jí)別上對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行改善。但是，這么做必須首先保證網(wǎng)絡(luò)仿真器和系統(tǒng)仿真器在時(shí)間上*同步，即兩個(gè)仿真器有相同的時(shí)間觀念，并且它們之間能夠以雙工方式交互數(shù)據(jù)。與*通過(guò)系統(tǒng)級(jí)描述的模型相比，只要同步負(fù)荷不重，新的仿真方式將可以加速系統(tǒng)建模。
另一個(gè)議題是仿真器之間的數(shù)據(jù)交互格式。網(wǎng)絡(luò)仿真器通常使用抽象數(shù)據(jù)類型來(lái)描述包、幀、消息，而不是使用數(shù)據(jù)的比特模式。集成電路則至少在低改進(jìn)級(jí)上需要比特?cái)?shù)據(jù)接口，這樣就有必要增加一些轉(zhuǎn)換接口。
使用同時(shí)具備網(wǎng)絡(luò)仿真和集成電路系統(tǒng)建模環(huán)境的工具可以顯著地加速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計(jì)，并且可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)試臺(tái)。使用這種工具的另一個(gè)好處是，它可以驗(yàn)證、校驗(yàn)集成電路芯片的通信結(jié)構(gòu)，從而使其協(xié)議棧達(dá)到網(wǎng)絡(luò)仿真器高層描述的參考協(xié)議棧的水準(zhǔn)。
本文介紹了以下兩種仿真器的集成仿真框架[12]：系統(tǒng)級(jí)仿真器systemc[4]，網(wǎng)絡(luò)仿真器ns-2[5]為了提供良好的效率，集成在內(nèi)核級(jí)上進(jìn)行，它支持仿真器間的時(shí)序同步。
2 仿真環(huán)境
集成不同的仿真環(huán)境在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域即是的協(xié)仿真議題。文獻(xiàn)[7，8]提出了幾種不同的協(xié)仿真框架。它們之間的主要區(qū)別在于協(xié)仿真器所針對(duì)的抽象級(jí)別（事務(wù)級(jí)、指令級(jí)、rtl級(jí)）和仿真器間同步所采用的通信原語(yǔ)。
文獻(xiàn)凹利用matlab來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模（包括網(wǎng)絡(luò)和硬件），然而，這種模型不能直接用來(lái)生成相應(yīng)的硬件。文朗10）則*利用c++來(lái)對(duì)一個(gè)adsl調(diào)制解調(diào)器建模，這種方式使驗(yàn)證設(shè)備時(shí)要模擬復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變得很困難。文獻(xiàn)[11）則直接將設(shè)備與真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)相連，沒有用任何網(wǎng)絡(luò)模型。以上的解決方案都沒有有效地集成系統(tǒng)級(jí)仿真和網(wǎng)絡(luò)仿真。
本文介紹的方法依賴于兩個(gè)的仿真環(huán)境：systemc和ns-2。systemc能夠在不同的抽象級(jí)別用c++庫(kù)來(lái)搭建系統(tǒng)模型，ns—2則是一種非常流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法分析仿真工具。ns—2基于兩種編程語(yǔ)言：c++和otcl，后者使得仿真內(nèi)核（用c++語(yǔ)言而寫）和仿真配置得以分離。
所提及的兩個(gè)仿真器都是基于事件驅(qū)動(dòng)引擎的：它們以非遞減時(shí)序的方式來(lái)安排事件的執(zhí)行。所不同的是事件的語(yǔ)義。在systemc里面，事件是和硬件相關(guān)實(shí)體（比如信號(hào)、端口）相的。systemc支持時(shí)鐘純粹是概念性的，它僅被用來(lái)定義事件的時(shí)間間隔。在ns—2里，事件是和通信信道的異步變化（比如發(fā)送或接收一個(gè)包）相關(guān)聯(lián)的。
2.1 仿真器交互
在設(shè)計(jì)集成仿真框架時(shí)，有兩個(gè)主要議題影響集成方案并且定義仿真的語(yǔ)義。首先，也是zui重要的是，仿真器如何緊密地協(xié)同工作。解決方案包括在仿真器間建立通信機(jī)制（直接消息傳遞或共享內(nèi)存接口）直至*的系統(tǒng)內(nèi)核集成。其次，仿真器在哪一個(gè)抽象級(jí)上進(jìn)行交互。解決方案從包級(jí)別的接口到低級(jí)上的信令而不盡相同。
要解決上述兩個(gè)議題，首先需要對(duì)ns—2和systemc的特性有深入的了解。這兩個(gè)仿真器都將目標(biāo)描述視作是一個(gè)分層次的實(shí)體，其層次等級(jí)與不同的抽象層和仿真中的數(shù)據(jù)操縱粒度相。 ns—2將網(wǎng)絡(luò)描述視作是分層的，類似協(xié)議棧的實(shí)體，它包括四個(gè)不同等級(jí)的實(shí)體：鏈路、節(jié)點(diǎn)、代理和應(yīng)用。這和協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)、傳輸和應(yīng)用層各自相。特別地，代理代表產(chǎn)生和消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)層的包的終端，并且，代理可以對(duì)傳輸協(xié)議原語(yǔ)提供支持。在systemc里，抽象層和初始規(guī)范的精煉有關(guān)，本文直接以傳統(tǒng)的協(xié)議層來(lái)標(biāo)識(shí)。
在仿真集成電路網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，zui直接的集成方式，這里，ns—2的代理與systemc的網(wǎng)絡(luò)層相互通信。這種方案只強(qiáng)調(diào)兩個(gè)層之間的消息交互以及一些消息轉(zhuǎn)換接口，但是，系統(tǒng)間的任何同步都需要額外的消息通過(guò)用戶api接口來(lái)傳遞，這使得通信負(fù)荷過(guò)重，而且，連續(xù)的時(shí)間同步并不容易達(dá)到，因?yàn)榇藭r(shí)時(shí)間都是由系統(tǒng)內(nèi)核管理的，要獲得時(shí)間信息也就意味著要與本地的內(nèi)核進(jìn)行交互。
一種在系統(tǒng)內(nèi)核級(jí)上基于消息傳遞的集成方案。這種方案看起來(lái)似乎更加有效，因?yàn)橄⒔换ビ谙到y(tǒng)內(nèi)核之間。但是如圖中分離的兩條時(shí)間軸所示，這種方案不能解決時(shí)間自動(dòng)同步的問題。
本文所提出的方案。兩個(gè)內(nèi)核緊密結(jié)合在一起（注意zui外面的虛線框）。僅管仍是基于消息傳遞的，但是相關(guān)仿真時(shí)間的同步變得更加容易，這種方案比前述兩種方案更加。
3 內(nèi)核同步
保持仿真器間在時(shí)間上的同步是非常重要的。事實(shí)上，要保證每個(gè)仿真器里的仿真時(shí)間的一致性是比較容易的，難點(diǎn)在于當(dāng)仿真器間數(shù)據(jù)交互時(shí)也要保證時(shí)間上的一致性。下面將介紹這個(gè)問題相關(guān)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
3.1 基本時(shí)間同步
兩個(gè)仿真器之間通過(guò)周期性交互信息來(lái)保持全局時(shí)間的一致性。在執(zhí)行時(shí)，擁有較小時(shí)間的仿真器優(yōu)先執(zhí)行，此時(shí)另一仿真器則置為阻塞狀態(tài)。
仿真時(shí)間的同步的偽代碼。啟動(dòng)同步的仿真器首先執(zhí)行第2行的初始化工作，之后從遠(yuǎn)端的另一仿真內(nèi)核得到仿真時(shí)間tn（第3行），一旦獲得tk2，它將tk2與本地的仿真時(shí)間tk1，作比較（第4行），如果本地時(shí)間小于遠(yuǎn)端的時(shí)間，說(shuō)明仿真器當(dāng)前滯后了，于是當(dāng)前處于就緒狀態(tài)的事件先被執(zhí)行（第5行）。而后，調(diào)度隊(duì)列里下一事件對(duì)應(yīng)的時(shí)間tnext k1披發(fā)送到遠(yuǎn)端的仿真器以便于同步（第6行）。相反，如果仿真器當(dāng)前時(shí)間比遠(yuǎn)端時(shí)間大，則仿真器將當(dāng)前仿真時(shí)間tk1發(fā)送到另一仿真器，而后掛起（第7行）。以上操作在整個(gè)仿真期間重復(fù)執(zhí)行（第8行）。
3.2 處理數(shù)據(jù)交互
同步方案已經(jīng)可以正常工作，但是在大多數(shù)情況下，仿真器間需要數(shù)據(jù)交互，而數(shù)據(jù)序列的時(shí)間也必須保持一致性。這就意味著要修改內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得事件和與事件相關(guān)的數(shù)據(jù)相分離。由于ns-2和systemc都是基于事件驅(qū)動(dòng)的，因而它們的結(jié)構(gòu)都比較典型：具備一個(gè)傳統(tǒng)的就緒隊(duì)列，這個(gè)隊(duì)列里是準(zhǔn)備就緒、可以執(zhí)行的事件，調(diào)度器會(huì)以時(shí)序上非遞減的方式，從這個(gè)隊(duì)列里挑選出相應(yīng)事件來(lái)執(zhí)行。
同步中的五個(gè)基本實(shí)體。兩個(gè)仿真器都擁有一個(gè)等待隊(duì)列，該隊(duì)列里包含了正在等待數(shù)據(jù)條件來(lái)驅(qū)動(dòng)的那些事件，這與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)里的方案很相似：就緒進(jìn)程和等待一些事件完成（比如i／o請(qǐng)求，資源變?yōu)榭臻e）的進(jìn)程是分開的。
進(jìn)程隊(duì)列外覆器是就緒隊(duì)列和等待隊(duì)列與內(nèi)核的界面接口。然而，進(jìn)程隊(duì)列外覆器對(duì)等待隊(duì)列的處理與對(duì)另外兩個(gè)數(shù)據(jù)交互實(shí)體的操作是緊密相關(guān)的。當(dāng)從通信信道接收到一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候，數(shù)據(jù)隊(duì)列管理器便將它置人數(shù)據(jù)隊(duì)列里。每一個(gè)目標(biāo)實(shí)體都有一個(gè)自己的數(shù)據(jù)隊(duì)列。等待隊(duì)列里的進(jìn)程正在等待一些數(shù)據(jù)相關(guān)條件的觸發(fā)。所以，對(duì)于每一個(gè)新收到的數(shù)據(jù)元，進(jìn)程隊(duì)列外覆器在等待隊(duì)列里查找那些正在等待相關(guān)事件的進(jìn)程，這些事件即是受新數(shù)據(jù)元影響的數(shù)據(jù)隊(duì)列里的事件。這樣，這些進(jìn)程將進(jìn)入到就緒隊(duì)列，而它們的時(shí)間標(biāo)記也會(huì)更新為新數(shù)據(jù)元的時(shí)間標(biāo)記。從以上討論不難得出，將仿真器間交互的數(shù)據(jù)用一系列信息來(lái)封裝是非常必要的。
3.3 用戶程式范例
前面所提到的協(xié)議有幾個(gè)地方值得注意：1）數(shù)據(jù)交互相關(guān)實(shí)體的標(biāo)識(shí)（ns-2里的代理和systemc里的模塊）；2）發(fā)送實(shí)體對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)記。這些信息都封裝在消息里面。消息由兩個(gè)內(nèi)核以對(duì)用戶透明的方式來(lái)組裝。在ns-2側(cè)，需要添加一個(gè)新的類：systemc，其定義如下：
其中的recv（）函數(shù)允許ns-2里的對(duì)象傳遞一個(gè)數(shù)據(jù)包給內(nèi)核（以正常的通過(guò)ns-2節(jié)點(diǎn)傳遞方式），這個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí)也必須傳遞給systemc的以receiver標(biāo)識(shí)的那個(gè)進(jìn)程。布爾值state使得內(nèi)核可以知道數(shù)據(jù)包當(dāng)前正準(zhǔn)備傳遞給systemc。通過(guò)以上信息，ns-2內(nèi)核就能夠組裝那些需要發(fā)送給systemc的消息。以ns—2里的標(biāo)準(zhǔn)udp代理為例，為了能與systemc通信，必須按如下修改：
無(wú)論任何時(shí)候，只要ns-2收到一個(gè)數(shù)據(jù)消息，內(nèi)核就調(diào)用recv0函數(shù)來(lái)獲得一個(gè)包，表面上看起來(lái)，這個(gè)包就像是從其它ns-2代理發(fā)過(guò)來(lái)的一樣。
在systemc側(cè)，為了允許用戶向ns-2對(duì)象接收或發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，需要添加新的端口ns_in和ns_out。它們從類模板sc_in和sc_out衍變而來(lái)，并且通過(guò)兩個(gè)函數(shù)read（）和write（）來(lái)管理，這兩個(gè)函數(shù)是通過(guò)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)的管理sc_n和sc_out的函數(shù)而來(lái)的。新的端口實(shí)際是執(zhí)行了文獻(xiàn)[7]里提到的“協(xié)仿真外部端口”的概念。所以，systemc里能與ns-2進(jìn)行雙工通信的進(jìn)程按如下方式定義：
無(wú)論何時(shí)，只要systemc內(nèi)核接收到一個(gè)數(shù)據(jù)消息，在接收消息的這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，內(nèi)核會(huì)在消息里的進(jìn)程的ns_in端口上產(chǎn)生一個(gè)事件，這是通過(guò)將包到端口來(lái)完成的。由此將會(huì)喚醒systemc里正在等待這個(gè)包的進(jìn)程，對(duì)這個(gè)進(jìn)程而言，這個(gè)包就像是systemc里其它進(jìn)程發(fā)送的一樣。對(duì)應(yīng)地，無(wú)論何時(shí)，當(dāng)systemc進(jìn)程寫一個(gè)包到ns_out端口時(shí)，write（）函數(shù)會(huì)將包寫到內(nèi)核監(jiān)視的緩沖區(qū)里。
以上所述的方法有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。*，ns-2和systemc的內(nèi)核仍使用它們各自zui初的原語(yǔ)（recv（）方法和將值到一個(gè)端口）來(lái)喚醒對(duì)象和進(jìn)程。通過(guò)這種方法，不需要額外的等待隊(duì)列。第二，ns-2的對(duì)象和systemc的進(jìn)程交互數(shù)據(jù)時(shí)都要通過(guò)對(duì)通信信道負(fù)責(zé)的系統(tǒng)內(nèi)核。這樣，除了必要的喚醒對(duì)象或進(jìn)程去監(jiān)視信道的事件外，不需要產(chǎn)生其它事件。這些都增強(qiáng)了協(xié)仿真的性能。
3.4 為同步而進(jìn)行的內(nèi)核擴(kuò)展
內(nèi)核為了同步所需執(zhí)行的偽代碼。下標(biāo)k1指當(dāng)前正在執(zhí)行代碼的內(nèi)核，k2指另一內(nèi)核。為了協(xié)作，兩個(gè)內(nèi)核都作了必要的修改。
啟動(dòng)進(jìn)程的仿真器首先執(zhí)行初始化工作（第2行），主同步程序（第3—22行）圍繞兩個(gè)仿真器間信道上消息的接收（第4行）而執(zhí)行。任何時(shí)候，一旦收到一條消息，首先檢查它是不是數(shù)據(jù)消息類型，如果是，則如同上節(jié)3.3里所描述的那樣，調(diào)用ns—2接收器或systemc的recv（）函數(shù)（第6.7行）。
然后，提取出遠(yuǎn)端事件的時(shí)間標(biāo)記，并將它和本地事件時(shí)間標(biāo)記tk1相比較（第8、9行）。第10—18行管理本地隊(duì)列里所有的滯后于tk2的事件。如果有一事件tk2需要傳輸數(shù)據(jù)（第13行），則在時(shí)間tk1產(chǎn)生一條消息mk1，并填人相應(yīng)的數(shù)據(jù)域dk1和遠(yuǎn)端接收者j（第14行），并且用一標(biāo)識(shí)符記下當(dāng)前條件以備后續(xù)使用（第15行）。第11—17行的do-while循環(huán)使得內(nèi)核分別處理在同一仿真時(shí)間上的不同事件。當(dāng)10—18行的循環(huán)退出時(shí)，需要向另一內(nèi)核發(fā)送消息。如果前面標(biāo)識(shí)符是真（第19行），內(nèi)核就產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)消息，否則產(chǎn)生時(shí)間消息，當(dāng)消息就緒后就將它發(fā)送到另一內(nèi)核。zui后，值得注意的是時(shí)序同步過(guò)程在代碼中仍然可辨，只是已經(jīng)緊密融合于所有同步代碼了。
4 總結(jié)
本文介紹了一種對(duì)soc芯片進(jìn)行建模與仿真的設(shè)計(jì)環(huán)境。這種環(huán)境集成了systemc和ns-2，并且在時(shí)序上保持同步。通過(guò)的時(shí)間同步算法，兩個(gè)內(nèi)核以消息傳遞的方式集成在一起，其中ns-2用來(lái)建模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，systemc用來(lái)建模系統(tǒng)硬件部分。使用這種集成建模與仿真環(huán)境可以顯著加速具有網(wǎng)絡(luò)通信需求的芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程。（文章來(lái)源：上海交通大學(xué)現(xiàn)代通信研究所）