原创 【转】ModelSim下用SystemC做设计验证方法与示例

最近用SystemC做验证做上瘾了，写一个小文吧。

如何在ModelSim下编译和仿真SystemC的设计？
如何在ModelSim下用SystemC的做验证？

        SystemC作为一种系统级设计与验证语言，非常适合做复杂IC的验证，而不是用于RTL描述。很多人问我如何将SystemC综合和编译为可以下载的CPLD/FPGA的比特文件或者综合为ASIC网表，我的回答是用SystemC做RTL设计还为时过早。可以想象将来可能将SystemC的行为级的描述综合为网表，即所谓高层次综合，这是一个很美好的未来，但未来不是现在。Verilog/SystemVerilog依然是最好的RTL设计语言。未来的RTL设计属于SystemVerilog。关于SystemC和SystemVerilog在设计中的地位问题，我认为在验证方面，SystemC有明显的优势。如果你设计纯粹的ASIC，那么用SystemVerilog可能就足够了。但是在很多场合，软硬件同时存在，SystemC的代码很多部分可以之间用于设计软件，这个是很明显的优势。大家同时也可以看到，现在在ModelSim等仿真软件中，SystemC使用起来跟Verilog/VHDL一样，非常方便。举一个例子，我们假如想做DVB-S2的LDPC，我们一定会先用C++（M atlab也可以）写仿真程序，验证算法的正确性。然后假设我们已经确定了目标ASIC的架构，打算用Verilog做RTL设计。现在既然C++代码的验证部分可以几乎不加改变的用于基于SystemC的验证模块的设计，我们为什么还要费力的用SystemVerilog重新写一遍验证代码呢？
下面步入正题，讲一讲如何在ModelSim下编译和仿真SystemC的设计。我们设计一个一位移位寄存器模块(Verilog代码)：
1.shifter.v
`timescale 1ns/100ps
module shifter(clk,nrst,din,dout);
input clk,nrst;
input din;
output reg dout;
always(posedge clk or negedge nrst) begin:shifter_with_nreset
if(~nrst) dout<=1'b0;
else dout<=din;
end
endmodule

顶层设计为验证模块加shifter模块的例化：
2.tb.v
`timescale 1ns/100ps
module tb;
wire clk,nrst,data,data_fd_bk;
shifter_test tester(.clk(clk),.nrst(nrst),.data(data),.data_fd_bk(data_fd_bk));
shifter uut(.clk(clk),.nrst(nrst),.din(data),.dout(data_fd_bk));
endmodule
其中shifter_test用SystemC描述。这个例子实际上不能显示SystemC的好处。
下面是SystemC的代码：

3．Shifter_test.h
#ifndef __shifter_test_h
#define __shifter_test_h

#include <systemc.h>
#include <assert.h>
SC_MODULE(shifter_test)
{
public:
// Module ports
sc_out<bool> clk,nrst;
sc_out<bool> data;
sc_in<bool> data_fd_bk;
bool data_reg;
bool err;
sc_clock internal_clk;

void st_behaviour()
{
nrst=0;
data=0;
wait(5);
data=1;
wait(2);
nrst=1;
wait(2);
while(1)
{
data=0;
wait(2);
data=1;
wait(3);
data=0;
wait(4);
if(err) printf("Test failed");
else printf("Test passed\n");
}
}

void gen_clk(){clk=internal_clk.read();}
void disp_data(){
printf("nrst=%d,data input=%d,data output=%d\n",nrst.read(),data_reg,data_fd_bk.read());
if((nrst.read()==1) && (data_reg!=data.read()))
{
err=1;
assert(false);
}
data_reg=data.read();
}

SC_CTOR(shifter_test)
:clk("clk"),nrst("nrst"),data("data"),data_fd_bk("data_fd_bk"),internal_clk("internal_clk",1000,0.5,SC_NS)
{
SC_METHOD(gen_clk);
sensitive<<internal_clk;
dont_initialize();

SC_CTHREAD(st_behaviour, clk.pos());

SC_METHOD(disp_data);
sensitive<<clk.neg();

err=0;
}
};
#endif

4.shifter_test.cpp
#include "shift_test.h"
SC_MODULE_EXPORT(shifter_test); 
只有两行代码。注意这里SC_MODULE_EXPORT的作用是将systemc的模块对其它语言可见。

        将以上4个文件加入到ModelSim的Project中，之后输入编译命令如下： 
         sccom –g *.cpp sccom –link vlog *.v vsim tb 
        就可以根据需要看一些信号的仿真波形了。
        这里只有 sccom –g *.cpp sccom –link 与SystemC有关。 在ModelSim中选择Compile all之后，再执行sccom –link，其效果等价于sccom –g *.cpp；vlog *.v；sccom –link。
       大家可以看到，在ModelSim中使用SystemC是如此简单。很多人比较熟悉VC，而不熟悉gcc，可能对于gcc的编译错误信息不是十分理解，这是在ModelSim中使用SystemC的一个大障碍。有两个问题需要提醒。
      一是好像ModelSim对于sc_clock的参数理解有些问题。 比如 sc_clock internal_clk("internal_clk",1000,0.5,SC_NS) 的仿真波形显示的周期是100ns，我将Verilog的`timescale 设置为1ns/1ns仍然是100ns，不知道是不是Bug. 
      二是sc_clock必须初始化，否则在vsim tb时就会出现类似下面的错误
vsim tb # Loading work.tb # Loading work.shifter # Loading work/systemc.so # Loading work.shifter_test # ** Error: (vsim-6504) sc_clock low time is zero: increase the period or decrease the duty cycle Also check the simulator resolution and time-unit settings in the modelsim.ini file. The default simulator resolution and time-unit used by ModelSim is 1ns.: clock 'tester/internal_clk' # ** Fatal: Fatal SystemC error detected, exiting... # Time: 0 ps Iteration: 0 Instance: /tb/tester/internal_clk file: C:\Modeltech_6.0c\include\systemc\sc_clock.h # FATAL ERROR while loading design
好像有人问过类似问题。