ESL发展及其在项目中的应用-EDN 电子技术设计

 本文主要介绍ESL相关的基础知识、概念、术语、以及ESL发展历史。

一. 前言

随着半导体行业的高速发展，ESL(Electronic System Level)建模或芯片建模在大算力高性能芯片领域显得越来越重要，国内外EDA或芯片设计公司都在构建自己的芯片评估工具或平台，以应对复杂芯片设计所带来的挑战。希望通过这篇文章让大家对ESL建模以及相关的基本概念和设计方法有一定的认识，了解ESL建模的方法和流程，理解工具并利用工具创造价值。

本文主要介绍ESL相关的基础知识、概念、术语、以及ESL发展历史。基于这些新的理念和方法，ESL建模得到了长足发展并且逐渐趋于完善。与其它技术类似，ELS或芯片建模采用的工具平台也包括商业和开源两大阵营。此外，本文还介绍了芯片建模标准规范，IEEE1666-2011 SystemC+TLM2.0。

在此基础上，还介绍了芯片建模的主要应用领域，有些应用比较成熟，比如性能模型(架构探索/评估/分析)，功能模型(软件提前开发)，功耗模型(功耗评估)，混合仿真(功能或性能模型)，软硬件协同设计，验证与划分等。有些应用比较新颖，比如高阶综合(HLS)，主流的EDA供应商已经发布了相应的工具，由于应用领域局限性而尚未得到广泛应用。限于篇幅，本文只涉及性能模型和功能模型两个应用方向，其它方向的应用后续有机会再作介绍。

在本文中，ESL、ESL建模、芯片建模，名称不同但是含义相当。

二. 术语

简称7Fyednc	全称7Fyednc	注释7Fyednc
ESL7Fyednc	Electronic System Level7Fyednc
VP7Fyednc	Virtual Prototyping/Platform7Fyednc	虚拟原型/平台7Fyednc
AT7Fyednc	Approximately-timed model7Fyednc	时序近似模型，用于性能模型7Fyednc
LT7Fyednc	Loosely-timed model7Fyednc	无时序模型，用于功能模型7Fyednc
TLM7Fyednc	Transaction Level Modeling7Fyednc	TLM2.07Fyednc
VDK7Fyednc	Virtualizer Development Kits7Fyednc	Synopsys7Fyednc
CA7Fyednc	Cycle Accuracy7Fyednc	周期精度7Fyednc
PV7Fyednc	Programmer View model7Fyednc
PEQ7Fyednc	Payload Event Queue7Fyednc	SystemC+TLM2.07Fyednc
FM7Fyednc	FastModel7Fyednc	arm7Fyednc
LISA7Fyednc	Language for Instruction Set Architectures7Fyednc	指令集架构编程语言7Fyednc
OSCI7Fyednc	Open SystemC Initiative7Fyednc	开源组织7Fyednc
PRD7Fyednc	Product Requirement Document7Fyednc
NoC7Fyednc	Network on Chip7Fyednc
RTL7Fyednc	Register Transfer Level7Fyednc
AI7Fyednc	Artificial Intelligence7Fyednc
GPU7Fyednc	Graphic Processing Unit7Fyednc
NPU7Fyednc	Neural-network Processing Unit7Fyednc
HLS7Fyednc	High-Level Synthesis7Fyednc
SoC7Fyednc	System on Chip7Fyednc
PCB7Fyednc	Printed Circuit Board7Fyednc
DDR7Fyednc	Double Data Rate7Fyednc
DMI7Fyednc	Direct Memory Interface7Fyednc
AMBA7Fyednc	Advanced Microcontroller Bus Architecture7Fyednc	Arm 总线协议7Fyednc
AXI7Fyednc	Advanced eXtensible Interface7Fyednc	Arm AMBA7Fyednc
CHI7Fyednc	Coherent Hub Interface7Fyednc	Arm AMBA7Fyednc

三. ESL发展简介7Fyednc

早在20年前，随着芯片行业的发展，芯片结构越来越复杂，版本迭代越来越快速，应用场景越来越多样化，这些变化给芯片设计带来了巨大的挑战。人们注意到传统的设计方法已经不能再满足芯片设计需求，亟需一种全新的设计方法和理念，既能处理复杂的内部结构，又能应对功能的快速迭代，由此ESL应运而生。2001年，ESL率先由Gartner Dataquest定义和发布，并被大众所熟知，至今，ESL已经在芯片设计、验证以及仿真领域得到广泛应用。

如果深入研究ESL的本质，它不是某种具体的设计语言、工具或平台，而是一种通用的设计和验证方法学，根据芯片各阶段的设计要求，在规格定义阶段(前期)、中期、后期利用这种方法对芯片的性能，功能，功耗进行建模，通过仿真得到某些参数或指标，作为芯片设计和优化参考。

ESL主要应用领域：

性能/架构模型(CA/AT)：架构探索，评估与优化，架构设计阶段7Fyednc
功能模型(TL)：软件提前开发，软硬件并行开发，缩短研发周期7Fyednc
功耗模型：功耗评估7Fyednc
系统设计(System Level Design)：软硬件协同设计、验证与划分7Fyednc
Co-simulation(Model+RTL)混合仿真：包括功能和性能仿真7Fyednc
高阶综合(HLS)：使用工具将C++/SystemC+TLM2.0模型直接综合成RTL代码7Fyednc

ESL之所以能应用于不同领域，是因为采用了高级编程语言，建模灵活，快速迭代，可以实现不同抽象层次(Abstraction Level)的模型。如果非要从学术层面来定义ESL，可以理解为“利用适当的抽象来增加对系统的理解，并以具有成本效益的方式提高成功实现功能的可能性”。这里面涉及系统、抽象、软硬协同设计和验证以及功能实现等。

业界根据这些设计方法和思想，经过多年发展，已经形成了开源和商用两大阵营，以下是业界具有代表性的仿真工具与平台。

开源7Fyednc
· SystemC+TLM2.0
7Fyednc

· QEMU7Fyednc
· GEM5
7Fyednc

· ……7Fyednc
商用7Fyednc
· FastModel, arm
7Fyednc

· VDK, Synopsys7Fyednc

· Simics, Wind River/Intel7Fyednc

· ……7Fyednc

除了以上列出来的仿真工具和平台之外，当然还包括其它开源和商用仿真工具，不胜枚举，详情可以参考[15]。

由于商用工具需要购买license，有些公司与其IP深度绑定，形成了完整的生态链，处于垄断地位，授权价格昂贵且授权方式完全由供应商主导，对国内芯片公司不是特别友好。因此国内大多数公司把目标都转向开源仿真工具，开源工具中使用比较广泛的是GEM5和QEMU，两者都提供了丰富的模型和完整的软件，但他们之间也存在差异。GEM5和QEMU都有完整的处理器，总线和外设功能模型，可以快速搭建用户需要的模型，另外，还提供相应的驱动软件和系统软件包，可以更快的实现系统boot功能，用户只需要关注软件开发工作，这些只是功能模型方向的应用。

另外GEM5还提供了业界主流架构的处理器(core)模型，如x86/arm/risc-v等，总线(NoC)等架构模型，可以进行性能仿真和评估。在学术界也非常流行，使用GEM5进行计算机或芯片架构探索，性能评估等，基于GEM5仿真所发表的学术论文特别多。对于多数自研IP的公司来说，比如AI/GPU/NPU等，通常还是基于C++/SystemC+TLM2.0建模，根据自研芯片规格来实现自定义架构模型，也会借用GEM5里面现成的模型。顺便提一下，SystemC+TLM2.0之所以重要，是因为商用仿真平台多数都是参考或基于SystemC+TLM2.0开发。

比如大家所熟知的Synopsys VDK仿真平台，就是在开源SystemC+TLM2.0基础上，增加和增强了很多新的功能，以图形界面方式呈现，专门为用户提供了二次开发的接口和方法，究其最低层技术还是基于SystemC+TLM2.0标准实现的，另外Candence Xcelium，一种综合逻辑仿真器，也支持SystemC+TLM2.0模型仿真，SystemC+TLM2.0是芯片建模和仿真的重要基础。

四. IEEE1666-2011标准

为了能够更全面地认识SystemC+TLM2.0, 我们可以从产生背景、编程语言、参考仿真器等多个方面来了解。

根据前面介绍，早在2000年左右，人们就提出了抽象层次设计概念以应对复杂芯片设计挑战，但是当时并没有统一的实现语言和工具，比如LISA/LISA+早在90年代就被提出了，是最早架构建模语言之一，迄今为止，在arm的FastModel里面仍然可以见到其身影，除了FastModel之外业界很少直接使用LISA/LISA+语言建模。

直到2004年SystemC诞生，架构建模语言逐渐趋于收敛和统一，2011年OSCI发了SystemC 2.3.0，目前最新版本为2.3.4，随后被纳入IEEE标准，并正式发布IEEE1666-2011标准版本。直到今天，还是由OSCI开发和维护，同时OSCI隶属于标准组织Accellera并成为该组织下面众多技术标准之一。

首先，SystemC+TLM2.0是全面兼容C/C++的类库(class library)，支持C++11/14特征(Feature)，所以可以理解为SystemC+TLM2.0是基于C/C++的建模语言(Modeling language)，作为一门编程语言，它一直都在不断升级和发展，根据官方资料显示，主要朝着多线程(Multithreading)、功能安全(Functional Safety)、错误注入(Error Injection等方向进行发展和演变。

其次，SystemC+TLM2.0还是一种开源参考仿真器，可以通过离散事件实现进程之间通信和同步，在这里，进程可以理解为模块里面具备独立功能的逻辑电路，使用进程旨在描述独立功能的逻辑电路的“并行性”，如果从这个角度来讲，SystemC+TLM2.0编程具有协同程序(Co-routines)的思想，因此在建模的时候，总是要考虑进程(逻辑电路)之间是顺序关系还是并行关系。

通过几张图(均来自IEEE1666-2011)介绍SystemC+TLM2.0的主要内容和构成。图1展示了SystemC Language Architecture，最底层是标准C++编程语言，在此之上包括两大块核心内容Core Language 和 Data Type。

核心语言部分主要包括module(sc_module), port(sc_port/sc_export), interface(sc_interface), channel(sc_channel),clock(sc_clock), 调度器(scheduler)，进程(thread/SC_THREA/SC_METHOD)，括号里面是相应的类名、函数或宏名。

Data Type用于描述硬件中的数据位宽，逻辑状态(高电平，低电平，高阻态，不确定态)，以及数据和状态之间的操作等。在两大核心的基础上还包括进程之间的控制和交互使用的接口(Interface)和通道(Channel)，如signal、buffer、mutex、semaphore等。具备这些建模的基本要素之后就可以根据芯片规格(Specification)对其建模了。

图1. SystemC Language Architecture (IEEE1666-2011)

如果只用SystemC提供的组件来建模，开发者不仅需要关注模块内部结构和功能实现，还需要关注模块之间的通信功能实现。这对开发者来说，无疑是增加了开发负担，也不利于开发更高抽象层次的模型开发，因为SystemC里面模块之间通信以channel为主，比如signal/fifo，这种方式虽然可以描述更加精准的硬件行为(CA)，但是仿真效率低，对于芯片架构探索或开发前期来说并不适用。

为了解决不能开发任意抽象层次模型和仿真效率低两大问题，OSCI还推出了TLM(Transaction Level Modeling)。在OSCI官方文档中对SystemC+TLM2.0最常用的描述为SystemC with TLM2.0，SystemC/TLM2.0或SystemC+TLM2.0。SystemC+TLM2.0实际上包括两块独立功能的内容，建模时会同时使用。参考图2，SystemC又是TLM2.0的基础，包含TLM1.0和TLM2.0，两个版本在实现方式和细节上有所不同，TLM1.0使用相对较少，本文不做介绍。

由于TLM2.0设计更具有通用性，获得了广泛应用，TLM2.0不仅提供blocking/non-block/Debug/DMI transport接口，还实现了通用数据类型(generic payload)和通用的相位(phase)，由这两个通用模块构成基础协议(Base protocol)。接口和基础协议组成通用层(Interoperability layer)，通用层除了极大地方便建模外，还让不同公司开发的模型可以集成到同一个系统中。

除了通用层之外，TLM2.0还提供了utilities class，可以作为golden simple，包括socket/callback register/blocking/ non-blocking transport等。其中simple_initiator_socket/ simple_target_socket极为常用。这些接口效率高且使用方便，应用非常广泛，对于大多数建模场景而言，使用自带utilities class基本满足要求，当然如果有特殊需求，例如增加时序或时钟信息，或对新的通信协议进行建模，可以在通用层的基础上开发全新的socket，比如AMBA协议簇里面的AXI /CHI等。

图2. TLM2.0 Class (IEEE1666-2011)

根据前文对SystemC+TLM2.0的介绍，现在可以研究一下SystemC+TLM2.0建模抽象层次与具体应用之间的关系。图3展示了建模方式(Coding Styles)以及抽象层次，应用场景可分为四类，即软件开发、软件性能分析、架构性能分析、硬件验证。可以根据仿真需求选择相应的coding styles和TLM2.0通用层来实现，比如transport/ socket等。建模抽象层次应根据要求而定，精度和抽象层次更是需要权衡考虑(Trade-off)，同时还需要兼顾仿真效率。

总的来说，对精度要求更高，则对建模抽象层次要求也更低，其仿真效率就越低(仿真慢)，反之亦然。除了SytemC+TLM2.0存在这个客观局限之外，其它EDA工具也类似，纵观芯片设计链路中的EDA工具中，没有任何一个EDA工具可以全部覆盖设计和验证功能，都会存在自身的优势和劣势。即便如此，也可以使用不完美的工具得出相对满意的结果，如何充分利用好SystemC+TLM2.0需要综合考虑模型精度和仿真效率。以模型对时钟或时序要求为例，每一种应用场景对时钟或时序要求差异很大，硬件验证则需要确保时钟周期完全一致，架构探索和软件性能分析则只需要时钟或时序近似，软件开发则完全不需要考虑时序信息，只要保证数据正确即可。

图3. Use cases, coding styles, and mechanism(IEEE1666-2011)

五. 性能模型7Fyednc

图4是简化版本的芯片设计流程，忽略其它步骤和细节，对于前端和后端而言，EDA公司可以提供明确的测试与验证平台(工具)，包括方法和流程。但是对于架构设计来说，如何验证，使用什么工具或平台呢？假如芯片架构师收到了来自市场或客户的产品需求文档(Product Requirement Document, PRD)，需要根据产品需求文档量化芯片的参数和指标，即定义芯片规格，确定芯片里面某些子模块的具体参数和行为，比如L1/L2/L3 cache size，总线带宽，关键模块之间的时延，内存架构等，芯片研发初期，此时RTL还未开始开发，更是没有任何平台配合应用场景来验证参数的正确性和合理性，因此如何验证架构设计成为芯片挑战之一。7Fyednc

特别是AI/GPU/NPU等类似专用的芯片，对架构验证平台的需求尤为突出。架构模型或性能模型成为验证架构设计的主要工具或平台，在规格定义阶段并可以开始设计架构模型，迭代，测试和优化，将结果反馈给芯片架构师，不断精细化芯片参数，架构或性能模型应当具备以下几点要求：

模型精确性，抽象层次，可定量或定性分析7Fyednc
模型迭代，参数可配置，可快速迭代，可探索全新的架构(下一代)7Fyednc

图4. 芯片设计流程(简化)

参考图4，芯片架构验证就是建模、测试、校验和优化的过程。尽管芯片架构验证处于芯片设计初期，实际上这一过程伴随芯片设计整个周期。

架构探索可以分为单元架构(处理器微架构/存储架构)和系统架构，单元架构模型更聚焦于内部实现细节和交互信息，比如处理器5级流水，取指、解码、执行、访存、写回。而系统架构则侧重于整体性能评估，将应用场景实例化之后，直接加载到架构模型上运行，通过收集数据处理信息，比如Latency/Bandwidth/Efficiency/Event/Timing等等，定量分析架构的性能和参数。

抽象层次其实是架构模型在建模之前需要考虑的重点。从周期精度模型(CA model)，时间近似模型(AT model)到行为模型(LT/Behavior Model)，需要根据评估目标而定，无关性能的模型，可以采用行为模型，需要关注性能的模型可以使用周期精度或时间近似模型，将这些不同抽象层次的模型集成到同一系统，还能得到混合(Hybrid)模型，该模型可以满足某些特殊场景的测试和验证需求。

图5展示了建模与仿真流程，以及与架构设计之间的关系。无论是软件还是硬件设计，都有一种设计理念，称为可执行规格(Executable Specifications)，对于芯片设计而言，其意是指架构设计、架构建模和架构验证过程。可以直接将架构规格说明转化为可执行程序，定量分析架构设计。

图5. 建模和仿真流程

架构建模包含的内容很多，流程虽然简单，但是整个建模和仿真过程，可以粗略也可以精细，灵活多变，结果呈现方式和分析方法也是多种多样。经过仿真除了可以得到带宽(Bandwidth)、时延(Latency/Delay)、波形(Waveform)等最基本的数据之外，还可以获得状态、事件统计等信息。架构设计和架构建模互为补充，伴随参数调整、仿真迭代、仿真优化和结果分析等过程，直到最终得到满足应用要求的参数和结果。

图6. 简单的NoC参数和性能分析用例

图6给出了一个简单的NoC性能分析用例，在NoC的上行和下行接口上增加监测(Monitor)，收集数据传输过程的参数。假设总线协议是AXI，CPU发送的数据包来自某个应用场景。可以调整BL(Burst Length)长度、Burst Size、Burst Type等以适配不同的NoC配置，直到满足要求的结果。

六. 功能模型

我们知道任何产品都有窗口期，每家公司都希望自己的产品尽快上市(Time-to-Market)，更快更多地抢占市场。为了最大化地缩短开发和生产周期，每个行业都在使用新进的工具来进行并行开发。芯片设计也不例外，如果简单地将芯片设计划分为硬件和软件两部分，传统的设计流程是先硬件后软件，以串行方式进行。

因为软件开发依赖于硬件平台，为了实现硬件与软件并行开发，功能模型使软硬件并行开发成为可能。功能模型(Function model)也称为虚拟原型(Virtual Prototyping VP)，虚拟平台(Virtual Platform VP)，它们的本质都是一样，如果说非要有些区别，虚拟原型更倾向于片上系统(System on Chip, SoC)，虚拟平台涉及更大的系统，除了包括SoC之外，还包括其它子模型如NoC，DDR，Peripherals等，在这里，可以理解为板级(Printed Circuit Board，PCB)虚拟系统。

软件设计左移(Shift-left)在芯片设计领域越来越被重视，左移就是为了实现软硬件并行开发。参考图7，如果将芯片设计简单分为架构，前端和后端设计三个阶段，使用传统设计流程，软件需要在RTL开发快结束的时候，才能在FPGA/Emulator平台开始软件开发和调试，参考图7中Emulation starting point。

如果采用功能模型或虚拟原型(VP)，在时间上可以提前至少8~12个月，给软件团队足够的时间来开发和优化软件，利用功能模型，可以开发firmware/driver/API/boot flow/Linux/software stack等，如果功能模型增加了时序和追踪(Trace)功能，还可以运行应用程序，用来分析软件的性能。通过两种方式对比，在时间上有绝对的优势，因此获得了广泛应用，比如VDK、Simics、利用SystemC+TLM2.0开发的功能模型等。

图7. 芯片研发周期示意图

与性能模型相比，功能模型是程序员视角模型(Programmer View, PV)，只要保证寄存器精度和数据传输正确即可，无需关注时序以及链路上数据的具体传输过程。如果有额外的需求，比如分析软件性能，可以在模型里面增加时序(Timing)、事件(Event)等信息，建模非常灵活，完全可以根据需求增加相应的特征(Feature)或功能。

图8. 功能模型内部结构

由于功能模型不需要考虑时序和传输过程等因素，与性能模型比起来，相对简单很多，参考图8，典型的功能模型用例主要包括输入/输出接口，数据队列，控制逻辑，回调函数，寄存器，状态信息，中断信号等等。

针对无时序模型SystemC+TLM2.0专门提供了blocking和DMI接口，即b_transport和get_direct_mem_ptr，通过调用这两个接口函数可以直接返回结果，调用接口函数过程中不会被其它模块或进程打断。此外，SystemC+TLM2.0还提供了时间解耦(Temporal Decoupling)，仿真时钟精度(Time Resolution)，全局量子时间(Global Quantum)等特征，充分利用non-blocking/DMI接口和这些特征可以巨大地提升功能模型的仿真效率。

七. 总结

首先，本文介绍了ESL发展历史，以及商用和开源两大阵营中主流仿真工具和平台。其次，还介绍了SystemC+TLM2.0标准规范，最后介绍了两个主要应用场景：性能模型(架构模型)和功能模型(虚拟原型)。尽管可以使用SystemC+TLM2.0创建任意抽象层次的模型，但是也存在不足之处，目前SystemC+TLM2.0只支持单线程，正是这个原因导致复杂的或抽象层次较低的模型仿真很慢(仿真效率低)，从官方渠道可以得知，SystemC+TLM2.0正在朝着多线程、功能安全、错误注入等方向发展和演变，以解决仿真效率问题和拓展更多的应用领域。

参考资料

[1]. IEEE Standard for Standard SystemC Language Reference Manual, IEEE Std 1666-20117Fyednc

[2]. TLM_2_0_presentation7Fyednc

[3]. ESL DESIGN AND VERIFICATION 20067Fyednc

[4]. A SystemC Primer 20027Fyednc

[5]. systemc-from-the-ground-up-2-edition 20047Fyednc

[6]. System Design with SystemC 20027Fyednc

[7]. Enhanced Virtual Prototyping (Featuring RISC-V Case Studies) 20217Fyednc

[8]. Complete Symbolic Simulation of SystemC Models 20167Fyednc

[9]. https://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_prototyping7Fyednc

[10].https://www.intel.com/content/www/us/en/developer/articles/tool/simics-simulator.html7Fyednc

[11]. https://developer.arm.com/Tools%20and%20Software/Fast%20Models7Fyednc

[12]. https://www.synopsys.com/verification/virtual-prototyping.html7Fyednc

[13]. https://www.qemu.org/7Fyednc

[14]. https://www.gem5.org/7Fyednc

[15]. A Survey of Computer Architecture Simulation Techniques and Tools, 20197Fyednc

责编：Ricardo

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