計算機架構與系統實驗室

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====== Delta Cycle in SystemC ======

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SystemC 提供了一組 C/C++ 的 Library 讓設計者可以使用 C/C++ 的語法來描述硬體；

使用同一種程式語言來開發 Software 和 Hardware 是 SystemC 的賣點之一。

但是原本 C/C++ 的語法是循序執行的，

所以各 Hardware Module 之間平行執行的特性就必須靠 SystemC Kernel 模擬出來。

使用 SystemC 來描述硬體時，尤其針對同步電路的系統，

程式設計者就必須先瞭解 SystemC 中 Delta Cycle 的特性。

在 SystemC 中，可以利用 Primitive Channel ( 例如 sc_signal<T> )

的 Evaluate-Update 特性來創造出 Delta Cycle。

當 SystemC Process 在某一個時間點對某個 Signal Channel 進行 write( ) 的動作時，

write( ) 的動作會被分成 Evaluate 和 Update 兩個 Phase，

在 Evaluate Phase 時，並不會立即將新的值覆蓋過原本的值，

會等到 Delta Cycle 的 Update Phase 才進行 Update 的動作。

詳細可參考 [1] 的 Chapter 9。

Delta Cycle 的特性可以讓邏輯上應該平行執行的所有 SystemC Process，

在循序執行的 C/C++ 環境下，不會因為 SystemC Process 執行順序的不同，造成不同的程式行為。

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接下來我們使用兩條 SC_THREAD 來進行說明，完整的 Source Code 可由此{{:techdoc:esl:systemc_delta_cycle:example.tar.gz|下載}}。

首先我們建立四個 Data Type 為 uint32_t 的 sc_signal，如下圖：

{{:techdoc:esl:systemc_delta_cycle:reg_sc_signal.jpg?nolink|}}

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另外我們建立兩條 SC_THREAD，如下圖：

{{:techdoc:esl:systemc_delta_cycle:sc_thread.jpg?nolink|}}

a_thread 在每一個 Cycle 會對 a_value 的值累加 5，同時將目前 b_value 的值複製到 b_value_copy 中。

b_thread 在每一個 Cycle 會對 b_value 的值累加 3，同時將目前 a_value 的值複製到 a_value_copy 中。

{{:techdoc:esl:systemc_delta_cycle:process_sc_signal.jpg?nolink|}}

模擬的結果如下：

{{:techdoc:esl:systemc_delta_cycle:wf_sc_signal.jpg?nolink|}}

我們可以觀察到，不管 SystemC Kernel 的 Scheduler 先讓 a_thread 或 b_thread 先執行，

複製到對方的值都是舊的值。

這就是因為 SystemC 的 Channel 提供了 Evaluate-Update 的特性。

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接下來我們另外做一個小實驗，

因為使用 Native C/C++ Data Type 理論上在模擬的效能上會比較好，

所以我們將原本四個 sc_signal<uint32_t> 型態的變數改成 Native C/C++ 的 uint32_t 型態。

{{:techdoc:esl:systemc_delta_cycle:reg_native_c.jpg?nolink|}}

a_thread 和 b_thread 中的存取也改成正常 Native C/C++ 的寫法。

{{:techdoc:esl:systemc_delta_cycle:process_native_c.jpg?nolink|}}

模擬的結果如下：

{{:techdoc:esl:systemc_delta_cycle:wf_native_c.jpg?nolink|}}

我們會發現 Native C/C++ Data Type 的變數並不具備 Evaluate-Update 的特性。

所以當 SystemC Kernel 的 Scheduler 先讓 b_thread 先跑，b_thread 就直接把 b_value 更新了，

然後 a_thread 再執行的時候，複製到的 b_value 已經是新的值了。

硬體的邏輯上，a_thread 和 b_thread 應該同時執行，他們的行為也應該一致，

但是上述的情況下，沒有使用 SystemC Channel 會讓程式的行為和預期的不同。

===== References =====

[1] SystemC: From The Ground Up (Second Edition) , David C. Black and Jack Donovan, Springr, 2010.
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