基于平台的CTG SoC系统建模方法

　　引言

　　基于平台的设计PBD ( Platform-Based Design，简称PBD)方法是最近几年提出的SoC系统设计新方法，它延伸并发展了IP重用的设计理念，强调系统重用。其基本思想是为应用领域定义通用的设计模板，在此设计模板中涵盖了IP库、接口互连、软/硬件系统结构等设计信息。系统建模是基于平台的SoC系统设计中需要解决的首要问题。电子产品设计领域常见的、基本的系统模型有离散事件模]、有限状态机模型、数据流/控制流模型、通信进程模型与Petri网模型。这些模型各有特色，但它们用作基于平台的SoC系统模型存在一些缺点：

　　( 1) 只能描述功能，不能描述性能;

　　( 2) 粒度过细且不可变;

　　( 3)有的模型不支持系统原型代码生成，因此难以进行快速的系统仿真验证以及系统设计空间探索。

　　本文提出约束任务流图CTG ( Constrained Taskflow Graph，简称CTG)模型作为SoC系统模型，提出了基于平台的CTG SoC 系统建模方法， 实现了SoC系统建模环境CPSME (CTG PBD SoCModeling Environme

　　nt，简称CPSME) 。CTG模型采用任务逐步细化求精的思想实现层次描述能力以及任务粒度的可变性，并且定义子任务执行控制机描述任务并行、分支与循环控制等。CTG模型为任务定义了运行时间(速度) 、功耗、面积、成本等属性，用以描述任务的性能约束。CTG模型将任务映射到实现算法，以描述任务功能。完成CTG模型中所有任务向算法的映射后，得到的算法流可快速生成系统原型代码，用于系统仿真验证。提出的基于平台的CTG SoC系统建模方法支持CTG模型库管理以及CTG模型重用与定制，兼顾了系统模型的重用性与灵活性。

　　基于平台的设计方法

　　在SoC系统软硬件协同设计领域，平台是关于虚拟组件(Virtual Component，又称为虚部件)与体系结构框架的库。在平台中包含一些可集成的并且预先验证的软件IP与硬件IP块、模型、EDA工具与软件工具、库以及通过体系结构探索 /集成/验证来支持快速产品开发的方法学。基于平台的设计方法是一种面向集成、强调系统级重用的SoC设计方法，可显著降低SoC系统开发风险、代价与上市时间。

　　图1给出了我们基于层次平台的SoC系统设计方法Hi-PBD (Hierarchical PBD，简称Hi-PBD) ，它将SoC系统设计分为系统模型层、虚部件层和实部件层，达到系统设计中功能与结构分离、计算与通讯分离的目的。该方法通过设计规划与虚实综合完成三个设计层次之间的两次映射。Hi-PBD方法不仅重用三个层次的设计模板，而且重用设计层次间两次映射的结果，提高了重用效率。此外，Hi-PBD方法支持在三个层次修改相应设计模板以增强设计灵活性，采用性能约束传播机制确保最终设计目标满足性能要求。特别是SoC虚部件层的采用，使虚部件层作为SoC系统模型与实部件RTL描述之间的桥梁，可有效降低从SoC系统模型直接映射到实部件RTL描述的难度。

　　图1　基于层次平台的SoC系统设计方法

　　约束任务流图模型

　　定义

　　(1) 任务：任务是为达到某一特定目标而指定的动作序列，此动作序列获取输入信息，引发任务内部某些状态的变化，并产生输出信息。任务可以被划分到硬件或软件上实现。可描述为：Task = { InputSeq， ActionSeq， OutputSeq }

　　(2) 约束：这是一个包括时间、空间、功耗、面积、成本等代价的多元组。必须在所指定的代价范围内实现任务，并以约束信息作为选择任务软硬件实现方式的依据。可描述为：Constraint = { TimeConstr， SpaceConstr， PowerConstr，AreaConstr， PriceConstr.}

　　(3) 约束任务流图：约束任务流图CTG (Constrained Taskflow Graph，简称CTG)描述了任务间的层次关系与执行关系。约束任务流图中的每个任务都有约束限制，作为SoC系统设计规划、软硬件划分、高层综合与软硬件协同仿真等过程中要求任务必须满足的实现约束。可描述为: CTG = { TaskTree， CommunSet， SubtaskFSMSet， ConstraintSet} 。

　　用CTG模型描述SoC系统任务

　　任务封装

　　分别定义属性视图、约束视图、算法视图、细化视图与子任务执行控制机视图，将所有与任务相关的设计信息封装在一起。

　　任务细化

　　任务细化的思想就是对大而复杂的设计任务进行逐步拆分，将难以在单个部件上完成的任务划分为较小的子任务，以有效降低任务实现难度。任务细化 可控制任务的粒度。在组织方式上，采用任务树描述任务的细化过程。

　　子任务执行控制机

　　子任务执行控制机用来描述属于相同父任务的子任务之间的控制执行关系，从而方便地表达包括并发、分支转移、循环(反馈)等在内的多种任务调度方案。子任务执行控制机可描述为：TaskFSM = { SubtaskSet，InitialTask，ConditionSet，TaskTransitionRuleSet} SubtaskSet描述了子任务执行控制机中的所有任务，InitialTask是第一个被执行的任务， ConditionSet是所有控制转移条件的集合， TaskTransitionRuleSet描述了从一个子任务转移到另一个子任务的转移规则。TaskTransitionRuleSet可描述为： TaskTransitionRuleSet: SubtaskSet ×ConditionSet → subtaskSet 。

　　基于平台的CTG SoC系统原型生成

　　我们用算法描述任务的功能(行为) ，并将一个应用领域中的所有算法组织成领域算法库。允许一个算法存在多种不同的实现，不同的 算法实现在性能上不同。例如，有的算法实现方案具有较快的运行速度，有的算法实现方案具有更低的存储空间需求。

　　在生成SoC系统原型代码之前，先将CTG任务流映射为算法流，映射过程如图2所示。映射得到算法流之后，经过对算法流的装配、定义全局变量等过程，可生成所需的SoC系统原型代码。

　　图2　任务流到算法流的映射

　　基于平台的CTG SoC系统建模与重用

　　图3显示了我们基于平台的CTG SoC系统建模与重用方法，主要分为CTG模型库管理与CTG模型重用。

　　图3　基于平台的CTG SoC系统建模与重用

　　在CTG模型库中包含了不同SoC应用领域的、经过验证的基本CTG模型，这些模型在功能与性能约束上反映了相关领域的基本应用需求。除了包括基本的数据库管理功能外， CTG模型库管理还表现在建立CTG领域模型( ①)以及后来进行的CTG模型库优化( ⑤) 。

　　在 SoC系统建模时，首先从CTG模型库选取基本的CTG领域模型模板( ②) ;然后，根据SoC系统的特定功能、性能需求对所选CTG模板进行定制( ③) ，得到面向特定SoC应用需求的CTG模型。定制操作包括添加、删除与修改任务的功能行为或性能约束，与完全重新建立SoC系统模型相比，其工作量要小得多。并且， CTG模型库中的模型已经过较充分的验证，因此仅仅需要对所得CTG模型中发生变化的部分进行验证即可。可见，基于平台的CTG SoC系统建模与重用除了确保CTG模型的整体重用，还通过定制操作保证系统建模的灵活性。 如果在后来的应用中发现所定制的CTG模型具有优良的应用效果，可以通过CTG模型库优化( ⑤)将新的模型加入CTG库中，以利于以后重用。

　　需要指出的是， CTG模型库中的各CTG模型不仅仅是前面定义的CTG模型本身，还包括了与此模型相关的、经过验证的SoC系统性能约束分配、系统模型仿真验证等系统建模方法， CTG模型的重用也包括对这些系统建模方法的重用。

　　基于平台的CTG SoC系统建模环境及应用

　　SoC系统建模环境的结构与功能

　　图4是本文基于平台的CTG SoC 系统建模环境(CPSME)结构图，分为CTG模型库管理与CTG模型重用两个部分。

　　图4　CPSME结构图

　　CTG模型库管理部分除提供基本的数据库管理功能外( ⑦) ，主要是提供了根据SoC应用领域的需求创建新CTG模型的支持( ①②③④⑤⑥) 。

　　在我们基于平台的CTG SoC系统建模过程中，进行SoC系统建模主要是进行CTG模型的重用:首先，依据SoC系统需求分析( ⑧)结果，从CTG模型库中选择CTG模型模板( ⑨) ;然后，对所选CTG模型模板进行定制( ⑩) ，以满足特定应用的功能与性能需求。

　　在CTG模型模板的定制中，除了对系统功能行为的定制，还支持对任务性能约束的定制。功能行为的定制主要通过任务的添加、删除、编辑等实现。性能约束的定制在任务的基础上进行，可以对已有的性能约束信息进行修改，实现SoC系统性能约束随设计过程逐步传播。

　　当CTG模型库中没有所需的SoC领域CTG模型时，就需要利用CTG模型库管理部分的功能模块为该领域创建基本的SoC CTG模型，并加入CTG模型库中以供使用。

　　应用实验

　　在CPSME下，我们分别对MP3播放器以及MPEG2播放器SoC进行系统建模。实验表明，应用本文建模方法通常只要对所选的CTG模型模板进行10% ～25%的修改 。而且，由于所选的CTG模型模板已经得到了充分的性能分配、功能验证等，使所得SoC系统模型在质量上更有保证。

　　结束语

　　基于平台的CTG SoC系统建模方法通过建立CTG模型库支持CTG模型的重用，通过提供模型定制操作支持对CTG模型模板的修改以满足特定的SoC系统功能与性能需求，从而使得在确保CTG模型整体重用的同时保持具体应用的灵活性。CTG模型库的建立与完备是基于平台的CTGSoC系统建模的关键。