SystemC——C++編寫的硬件系統級建模語言

一、SystemC概述

SystemC是一種開源的、根據IEEE 1666標準制定的、基於C++的硬件系統級建模語言。它以C++作為基礎語言，提供了一些用於硬件建模的類庫和數據類型，支持模塊化設計方法，有使用簡單、靈活性高、可重用性強等優點。

二、SystemC的特性

SystemC從C++繼承了很多特徵，如強類型定義、類、運算符重載和異常處理等。同時它也有一些與C++不同的特性，下面詳細介紹：

1、模塊介紹：SystemC程序由多個模塊組成，每個模塊擁有輸入和輸出，模塊之間通過輸入輸出的連接通信。在SystemC中，每個模塊都是從sc_module派生的類的實例。

#include "systemc.h"

SC_MODULE(MyModule) {
  SC_CTOR(MyModule) {
    // constructor
  }
};

2、通信：SystemC中通過端口port可以實現模塊之間的通信。端口分為輸入端口（in_port）和輸出端口（out_port）。

#include "systemc.h"

SC_MODULE(MyModule) {

  sc_in in_port;
  sc_out out_port;

  SC_CTOR(MyModule) {
    // constructor
  }
};

3、通道和信號：SystemC中用通道（channel）連接兩個模塊，信號（signal）則是對端口的封裝，它提供了一種特殊類型的端口，可以在系統的各個模塊之間進行連接。

#include "systemc.h"

SC_MODULE(MyModule) {

  sc_fifo channel;
  
  SC_CTOR(MyModule) {
    // constructor
  }
};

4、仿真控制：SystemC提供了一些控制仿真的類，如sc_start函數、sc_stop函數、sc_time類等，用於控制仿真過程的時間和順序。

#include "systemc.h"

SC_MODULE(MyModule) {
  SC_CTOR(MyModule) {
    SC_THREAD(my_thread);
  }

  void my_thread() {
    // thread body
  }
};

int sc_main(int argc, char *argv[]) {
  MyModule my_module("my_module");

  sc_start();
  sc_stop();

  return 0;
}

三、SystemC的應用

SystemC被廣泛應用於芯片設計和硬件系統級建模，例如：

1、芯片設計領域：SystemC是一種描述數字芯片行為和系統交互的語言形式，由於其高級抽象的能力，可以讓工程師們更快速、更有效地設計並優化芯片結構。

#include "systemc.h"

SC_MODULE(MyModule) {
  sc_in in_port;
  sc_out out_port;

  SC_CTOR(MyModule) {
    SC_METHOD(my_method);
    sensitive << in_port.pos();
  }

  void my_method() {
    // method body
  }
};

2、系統級建模領域：SystemC可以為嵌入式系統和芯片設計提供系統級級建模支持，使得對複雜系統的設計和驗證更加高效、更加準確。它的仿真能力能夠幫助設計人員在設計的早期階段檢測並修復可能導致問題的部分。

#include "systemc.h"

SC_MODULE(MyModule) {
  sc_in in_port;
  sc_out out_port;

  SC_CTOR(MyModule) {
    SC_METHOD(my_method);
    sensitive << in_port.pos();
  }

  void my_method() {
    out_port.write(in_port.read() + 1);
  }
};

3、可嵌入性：SystemC是一種可嵌入到其他C++應用程序中的C++庫，如利用它進行操作系統的調度和內存分配。

#include "systemc.h"

SC_MODULE(MyModule) {
  sc_in in_port;
  sc_out out_port;

  SC_CTOR(MyModule) {
    SC_METHOD(my_method);
    sensitive << in_port.pos();
  }

  void my_method() {
    out_port.write(in_port.read() + 1);
  }
};

int main(int argc, char *argv[]) {
  MyModule my_module("my_module");
  sc_signal signal;
  my_module.in_port(signal);
  my_module.out_port(signal);

  return 0;
}

四、SystemC的未來

SystemC在數字電子電路設計方面的應用上具有重要意義。SystemC將在不久的將來繼續在數字電子跨學科研究中起重要作用。

同時，SystemC領域還存在一些挑戰，如可擴展性、高性能、高效仿真等問題仍需解決，這也是SystemC未來發展需要努力的方向。