電子系統級設計：從現象到本質

masonchung

( 11 月 1 日 2008 年)
Ron Wilson，執行編輯，EDN  
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以下情形曾經就像是地平線上的微光：隨著系統單晶片 （SOC） 變得日益複雜，我們就會從暫存器傳送級 （register-transfer level ，RTL） 轉向下一個更高的抽象級——一些專家所說的 ESL 設計。我們會用 C++ 等高階語言來表示系統行為。我們會在這個級別對系統進行模型的建立和探索，把它劃分成硬體元件和軟體元件，然後按某個按鈕。腳本和 ESL 合成工具會消化我們的 ESL 設計，並還給我們一個近乎最優的 RTL 設計或甚至是網表，連同必要的軟體。設計工作的效率會再次領先於複雜性。
但正如人們所說的，那是過去的事情了。現在，由於出現了許多的失效、錯誤的聲明，以及後來過於限制的工具（too-limited），許多設計工程師都把 ESL 放在與砷化鎵相同的類別裡：永遠的未來技術。然而，上述駁斥並不準確，就像某些早期的“使命完成”聲明一樣。ESL 工具目前在許多團隊的設計流程中扮演著關鍵性的作用。這些作用隨著團隊和應用領域的不同而不同。但是結果卻顯現出足夠的重要性，以至於設計經理現在排斥 ESL 就是在拿自己冒險。
困惑與多樣性
Gary Smith EDA 公司的創辦人及著名產業分析師 Gary Smith 說：“事實上，大多數我們所說的能力強的使用者（power user）自從 2004 年前後以來，便就一直在使用 ESL 工具。但其中許多工具都是在內部開發出來的，並且對於什麼是 ESL 工具，有著很多的困惑。”
這些困惑是可以理解的。“系統級”名稱下面隱藏著幾個抽象級。並且在上述的每個級別中，都有許多種工具，人們對它們的期望也有所不同。
' Z3 l& }( r/ ASmith 說：“最初的想法是 ESL 是關於架構的設計。”這個過程遠比按鈕式的行為合成更簡單。它簡單地意味著某個系統架構的文字形式且可執行的表示，它可以讓實驗在很高的級別上進行，在某種程度上是歷史悠久的架構設計工具——白板和電子試算表——的基於語言的版本。
Smith 接著說：“但是在 2004 年，這些工具是側重在消費性應用，並且真的是用於演算法設計，而不是架構設計。一點兒也不重視包含處理器、記憶體等各種區塊（block）的抽象級。”
; J& e! n3 m; i即便是在演算法領域，過去和現在之間都有著明顯的差異。一些設計工程師把諸如 MathWorks 公司的 Matlab 之類基於代數的工具看作是描述和操縱演算法的自然方式。另一些則認為 C 或 C+ + 應該擔任該角色，儘管這些語言在語法方面強烈偏向特定的“遺產”實施——DEC 公司的 PDP-11 迷你電腦（minicomputer）。還有一些則認為：應該用一種為特定目的而發展的（purpose-built）演算法描述語言來開發各種演算法，它既不是純代數型的（algebraic），也不是純程式型（procedural）或順序型（sequential）的。當一代有趣的語言在數年前被停用時，最後這種觀點曾經消失，而如今又在復甦之中。Smith 說：“多核處理在 SOC 領域的出現已引發了對 ESL 工具的許多新工作。”
3 N' w( e! k+ @5 K  Q對 ESL 的一個不同見解來自一些試圖較早開始開發軟體的專案負責人。在這些專案中，設計工程師使用 ESL 工具來開發基於軟體的虛擬原型。設計工程師把原型與自己正在開發中的驅動程式代碼等融合起來，並測試整合軟體系統，方式很像他們日後對真正在硬體上運行的代碼所做的測試。
- |& ~* m  T# W# y% d( a另一些人仍然覺得：ESL 應該適當強調架構級實施，而不是簡單地表示演算法。這個觀點導致一些語言（主要是 C 衍生語言）和工具的問世，它們試圖在某個抽象級描述某項實施，並且為它附上（或從它推斷出）盡可能多的相關資訊——關於它暗示的 RTL 設計的結構、時序和能耗（後一種情形日益增多）。在該領域，人們最近也做了一些工作。
7 O2 W$ L1 Z5 q9 F/ W+ C- ~2 G有這麼多途徑、期望和需要，當然就有困惑。也許澄清此一情況的最佳方式就是與一些設計團隊交換意見，事實上，他們正在上述各個級別運用這些工具（參見附文《展望未來》）。
演算法開發
僅僅是讓演算法正確這一件事，就可能成為設計流程中的一個主要部分，在數位信號處理的領域中尤其如此。這個挑戰至少分兩個階段：使數學原理正確、使從數學原理到硬體和軟體的轉換正確。正如 Smith 所說的，這個問題帶來了也許是最早的 ESL 工具的成功運用，並且依然很重要。
MC2 Technology 集團的 DSP 與系統設計顧問Bob Davenport就是以這種方式使用 ESL 工具。他是安捷倫公司 SystemVue 產品的愛用者；SystemVue是一種方塊圖驅動型探索環境（block-diagram-driven exploration environment），用於通信和媒體處理應用領域的信號處理。Davenport 說：他用該工具開發演算法（經常是用各個作為該環境一部分的功能庫來組合它們）、探索這些演算法、產生 C 代碼，然後把代碼傳遞給 Texas Instruments Code Composer Studio 來實現優化。
2 L; _! M+ q& [" [* eDavenport 說：“例如，我們可以從鎖相迴路的方程式開始，建立它的模型，並分析它的性能。然後，我們可以產生代碼，把它畫成圖，並把繪圖用在報告中。”
( Z, o4 D4 R: p9 o$ n對於 Davenport 而言，很重要的一部分功能在於，無論有效數字的數量如何，他都能探索浮點算術形式的演算法，然後插入一些符記（token）來為具體信號設置整數精度。他說：“因此，如果你正在開發頻域 GPS 相關器（correlator）等器件，你就能首先讓核心演算法正常工作，然後探索如何縮小資料寬度，以便於實施。”他能簡單地按照以下的方式實現這個目標——開發出定點的實施（fixed-point implementation）、把相同的輸入量輸送給它和原始的浮點模型，並比較輸出量。如果有差異，他就反向檢測整個演算法，看看它們是在何處出現的。
# ^5 G: Y7 X7 s# l- P7 e8 r3 v' SDavenport 把他的設計流程主要用於為 DSP 核心產生代碼。不過這個套裝軟體還能為 FPGA 輸出硬體描述，Davenport 說這個功能開發得不太好，但他打算進一步探索。
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