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• Le standard est distribué sous la forme d’un manuel de référence (Language Reference Manual) et est disponible gratuitement sur le site de l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Il peut être téléchargé sur cette page du site de l’IEEE.
• Accellera System Initiative est une organisation à but non lucratif dont l’objectif est de développer et de promouvoir des standards industriels pour la conception et la modélisation de systèmes électroniques. La liste des standards soutenus par cette organisation se trouve ici.
• L’implémentation de référence de SystemC est accessible librement (après acceptation de la licence d’utilisation) sur la page dédié du site d’Accellera. Pour ce cours nous utiliserons la version 2.3 du standard (la version 2.3.2 propose quelques fonctionnalités en avance par rapport à la norme qui sont désactivées par défaut ainsi que la compatibilité avec des compilateurs récents).
• Sur les machines de l’école, la bibliothèque est accessible dans le répertoire /comelec/softs/opt/systemc/current. Le répertoire contient le source ainsi qu’une version compilée pour Linux x86_64.

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À la base, c’est des contributions de plusieurs entreprises qui ont été regroupées pour devenir un standard.

La première version de SystemC apportait déjà tous les éléments nécessaires pour la description du matériel :

• Un simulateur évènementiel
• Des processus
• Des signaux

La version 2 de SystemC a apporté des mécanismes de modélisation plus haut niveau dits transactionnels. D’abord sous la forme d’une extension (TLM : Transaction Level Modeling) qui a été ensuite intégrée au standard. La version 2.3 de SystemC apporte la 2^e version de cette extension (TLM 2.0).

CoWare et Frontier Design, n’existent plus. Elles ont disparu dans les multiples fusions et rachats entre les différents acteurs du marché de l’EDA.

La version 3.0.0 a pour objectif d’améliorer les performances, et de maintenir à jour SystemC en l’adaptant aux évolution des versions de C++.

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Dans un système sur puce (SoC : System On Chip) il y a du matériel :

• des processeurs,
• des accélérateurs (graphiques, audio…),
• des interfaces de communication

et du logiciel exécuté sur ce matériel.

Il faut donc un moyen efficace de modéliser l’ensemble.

Cette modélisation a pour but de :

• Concevoir le système :
  • développer les algorithmes,
  • définir ce qui est fait en logiciel et ce qui est fait en matériel (partitionnement),
• Simuler le système :
  • vérifier les fonctionnalités,
  • avoir un modèle de référence.

C++ a été choisi car :

• c’est un langage objet et on peut s’appuyer sur cela pour représenter des modules matériels,
• c’est un langage efficace avec lequel on peut obtenir de très bonnes performances,
• c’est un langage que beaucoup de développeurs connaissent déjà.

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Pour la fonctionnalité :

Pour décrire un algorithme, on n’a besoin de décrire que la succession d’opérations menant au résultat. Dans cette description fonctionnelle le temps nécessaire à l’exécution de ces différentes étapes n’a pas besoin d’apparaître. Ce type de modèle est en général un point de départ pour définir les différentes fonctionnalités que notre système devra réaliser. On parle de modèle Untimed Functionnal (UTF).

Dès qu’on veut évaluer les performances d’une implémentation pour connaître, par exemple :

• la puissance de calcul nécessaire (fréquence, nombre d’opérateurs…),
• le nombre d’opérations qu’on peut effectuer dans un temps donné,

on doit introduire une notion de temps.

On doit donc avoir au moins, une description fonctionnelle avec une information de temps sur chaque étape. On parle de modèle Timed Functionnal (TF).

Pour l’interface :

Pour décrire des échanges de données dans le système, il peut suffire de les décrire en termes de transactions. Des lectures ou des écritures entre différents éléments du système (un processeur, une mémoire…). S’il y a plusieurs transactions en parallèle, il faut pouvoir garantir l’ordre dans lequel elles ont lieu.

Si en plus, on veut pouvoir vérifier que ces transactions respectent un certain protocole de bus, il faut que le modèle décrive précisément tous les signaux de contrôle.

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Dans la conception d’un système sur puce (SoC) on passe par plusieurs étapes. À partir d’un modèle fonctionnel, on sépare l’application en partie logicielle et partie matérielle. On parle de partitionnement.

Ensuite, les modèles de chaque partie sont raffinés.

Pour la partie logicielle, on va utiliser des modèles du support d’exécution de plus en plus précis en :

• utilisant un modèle du système d’exploitation (OS),
• faisant apparaître une notion de temps d’exécution,
• en utilisant des plateformes virtuelles ou des simulateurs de jeu d’instruction (ISS : Instruction Set Simulator).

Pour la partie matérielle, on va également passer par plusieurs étapes. À partir d’un modèle architectural, dans lequel on définit les différents blocs utilisés, on passe à des modèles transactionnels faisant apparaître les différents transferts de données puis les temps nécessaires pour les traitements et les transferts.

Ces modèles deviennent de plus en plus précis au cours du développement jusqu’à obtenir un modèle précis au cycle et au bit près. Ce modèle est dit CABA (Cycle Accurate Bit Accurate) qui peut servir de référence à l’écriture d’un modèle RTL synthétisable.

Tout au long de ce flot de développement on doit aussi conserver un modèle de référence pour vérifier la conformité avec l’application de départ.

Remarque :

Le modèle RTL est un modèle CABA dans lequel, en plus d’être précis au cycle près et au bit près, on doit respecter un style de codage particulier.

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Dans l’industrie, SystemC est principalement utilisé comme langage de modélisation. Il est rarement utilisé pour produire des modèles fonctionnels haut niveau ni pour produire des modèles au niveau RTL.

Actuellement, SystemC est utilisé pour la conception de modèles transactionnels permettant de simuler efficacement des systèmes sur puce. Par exemple des modèles de :

• processeurs,
• contrôleurs mémoire,
• interconnexion…

L’utilisation de SystemC permet de concevoir des modèles dont on peut faire évoluer la précision jusqu’à des modèles CABA. Ces modèles peuvent alors être interfacés avec des modules écrits dans d’autres langages de description tels que SystemVerilog ou VHDL.

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Il faut noter qu’il existe depuis 2010 une extension AMS (Analog/Mixed-signal) de SystemC pour la modélisation des systèmes analogiques et mixtes. Cette extension utilise un moteur de simulation analogique (à temps continu) différent du moteur événementiel et des concepts propres à la simulation analogique qui ne seront pas abordés ici.

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SystemC est une bibliothèque construite au-dessus de C++ donc tout ce qui est disponible en C++ l’est aussi en SystemC. Ceci est important pour pouvoir réutiliser des bibliothèques logicielles existantes qu’elles aient été écrites en C ou en C++.

Au-dessus de C++, un moteur de simulation événementiel est implémenté. Ce moteur permet de gérer les processus et les évènements comme dans d’autres langages HDL (Verilog ou VHDL).

L’implémentation open source de référence distribuée par Accellera contient aussi le moteur de simulation implémenté en C++.

SystemC définit un certain nombre de types utiles à la modélisation du matériel, parmi lesquels :

• des types multi-valué (0,1,x,z),
• des bits et des vecteurs,
• des entiers de taille arbitraire,
• et même des nombres en représentation en virgule fixe.

Sont aussi définis les éléments nécessaires à la description hiérarchique : modules, ports et canaux.

En SystemC, les canaux de communication vont au-delà des simples signaux pour permettre des niveaux d’abstraction plus élevés. Un certain nombre de canaux primaires existe dans la bibliothèque (signaux, Fifo…) mais des canaux supplémentaires peuvent être définis si besoin.

Au-dessus de tout ça des bibliothèques supplémentaires sont implémentées. Certaines sont fournies avec l’implémentation de référence telles que les bibliothèques pour la modélisation transactionnelle (TLM/TLM2.0) d’autres sont indépendantes comme la bibliothèque pour la vérification (SVC).

D’autres bibliothèques basées sur SystemC peuvent être fournies par des tiers (vendeur d’outils, d’IP…).

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Pour les distributions Linux récente, la bibliothèque est disponible à travers le système de distribution de paquets standard.

Sur Debian (version 10 minimum) ou Ubuntu (19.x minimum) elle peut être installée comme suit:

sudo apt install libsystemc-dev

Si vous devez compiler la bibliothèque à partir des sources, il faut télécharger l’archive Core SystemC Language and Examples disponible sur le site officiel.

La procédure d’installation est décrite en détail dans le fichier INSTALL dans l’archive de la bibliothèque.

Le plus simple sur une machine Linux est de l’installer dans /usr/local/ pour que les fichiers d’en-tête et la bibliothèque soit automatiquement trouvé à la compilation et durant l’exécution de vos programmes.

Pour cela, une fois l’archive décompressée, dans le répertoire que vous obtiendrez, il suffit de faire:

./configure --prefix=/usr/local --with-unix-layout
make -j4
sudo make install
sudo ldconfig

Le fichier INSTALL.md donne la liste des systèmes et compilateurs supportés. Voici un extrait donnant cette liste pour la version 3.0.0 de SystemC.

  SystemC can be installed on the following UNIX, or UNIX-like platforms:

    * Linux
      * Architectures
        - x86_64 (64-bit)
        - x86 (32-bit) application running on x86_64 (64-bit) kernel
          (`../configure --host=i686-linux-gnu`)
      * Compilers
        - GNU C++ compiler
        - Clang C++ compiler
        - or compatible

    * macOS
      * Architectures
        - Apple Silicon
        - x86_64 (64-bit)
      * Compilers
        - Clang C++ compiler
        - or compatible

    * Windows
      * Compatibility layer
        - MinGW / MSYS
      * Architectures
        - x86_64 (64-bit)
      * Compilers
        - GNU C++ compiler
        - or compatible

  Note: _Not all combinations are equally well-tested and some combinations
        may not work as expected.  Please report your findings by following
        the instructions in the [CONTRIBUTING](CONTRIBUTING.md) file._

  The [RELEASENOTES.md](RELEASENOTES.md) file contains a list of detailed platforms,
  architectures, and compiler versions that have been used for testing this release.

Sauf si vous avez un compilateur C++ extraterrestre, vous devriez pouvoir utiliser SystemC.

Aussi, sachez que la version en cours de développement est accessible publiquement sur GitHub.

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#include <systemc.h>

int sc_main (int argc, char * argv[])
{

   cout << "hello world" << endl;

   return 0;
}

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La fonction main existe quand même, elle est fournie par la bibliothèque SystemC. Elle s’occupe de configurer l’environnement de simulation avant d’appeler la fonction sc_main en lui passant les arguments qu’elle a reçus.

Le fichier d’en-tête systemc.h contient les définitions des éléments de la bibliothèque. En plus,

• il inclut d’autres fichiers d’en-tête de la bibliothèque standard C++, par exemple iostream
• et permet d’utiliser directement certains espaces de noms (namespace) relatifs à SystemC et à la bibliothèque standard (std).

Si on a besoin de gérer précisément les en-têtes et les espace de noms on peut préférer inclure systemc.

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Les sources C++ et C sont compilés puis l’édition de liens est faite pour générer un exécutable. Parmi ces sources, doit figurer la définition de la fonction sc_main.

La bibliothèque SystemC doit être fournie pour l’édition de liens. Elle apporte les éléments suivants :

• la fonction main,
• le simulateur événementiel,
• les autres objets de la bibliothèque SystemC.

Comme, il s’agit d’un flot de compilation standard pour du C++, on peut faire appel à d’autres bibliothèques du système.

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SYSTEMC   ?= /comelec/softs/opt/systemc/current
ARCH       = linux64

CPPFLAGS  =  -isystem $(SYSTEMC)/include
CXXFLAGS  =  -Wall -g
LDFLAGS   =  -L$(SYSTEMC)/lib-$(ARCH)
LDLIBS    =  -lsystemc

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Dans ce Makefile minimaliste pour g++ :

• On précise les chemins de recherche pour les fichiers d’en-tête et les bibliothèques précompilées.
• On ajoute la bibliothèque systemc au moment de l’édition de liens.

Si la bibliothèque est installée dans des répertoires UNIX standards, seule la définition de la variable LDLIBS est vraiment nécessaire. Malgré cela, gardez la définition des autres variables pour pouvoir compiler votre code sur les machines de l’école.

L’exécution donne :

  SystemC 3.0.0-Accellera --- Jul  5 2024 14:19:51
  Copyright (c) 1996-2024 by all Contributors,
  ALL RIGHTS RESERVED

  hello world

Le message indiquant la version de SystemC est issu de la bibliothèque et montre bien que des choses sont faites avant l’appel à sc_main.

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