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v h d l 并行模拟在p v m 环境下的设计与实现 摘要 进入2 1 世纪，制造技术与产品设计的需求都向集成 电路设计业提出严峻的挑战，要求设计业能够更快更好 地设计出性能更优良、功能更完美、系统更复杂的 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 产品，因此， 对数字系统的逻辑模拟是实现设计自动化的一个重要环 节。提供一种快速高效的逻辑模拟系统，对设计和制作 具有自主知识产权的芯片显得尤为重要。 本文首先，对v h d l 语言和并行技术的特点、结构 和发展状况进行了介绍，指出了p c 机群基于p v m 并行 环境的优点。其次，对v h d l 逻辑模拟的目的、过程、 模型以及常用模拟算法进行了分析比较。再次，对p v m ( p a r a l l e lv i r t u a lm a c h i n e ) 进行了介绍。在分析v h d l 语言特点与并行模拟理论基础上，从数字系统可由若干 子系统构成，其逻辑功能具有相互独立性等特点出发， l 提出利用面向对象的分析和设计思想，通过多层次、多 领域、标准硬件描述语言v h d l 对数字系统进行描述； 在编译和排序阶段，实现独立模块的划分；采用并行模 拟算法对一个模块对象的实例，在基于p v m ( p a r a l l e l v i r t u a lm a c h i n e ) 的并行集群网络环境下，进行模拟；并 通过消息传递，实现空间上的模拟同步。 最后对本文的研究工作进行了实验，它有效地解决 了在时间和空间上并行的问题。分析表明，该方法在一 定条件下可以达到较好的性能，但是还存在一定的问题。 例如同步算法的缺点，在可并行任务数不理想的情况下 消息通讯花费过大，并行算法还可以用一些优化的方法 等等。这些都直接影响到模拟的时间和性能。在今后的 实验中将着手解决这几方面的问题，逐步完善算法。 关键字：v h d l ，p v m ，仿真，并行计算 t h er e s e a r c ha n dr e a ii z a t i o no np a r a il e d i s t r i b u t e dv h d ls i m u l a t i o nw i t hp v n a b s t r a c t e v e rs i n c et h ed a w no f2 1 s tc e n t u r yt h ei n t e g r a t e d c i r c u i t d e s i g ni n d u s t r y h a sb e e nm o r e a n dm o r e c h a l l e n g e db y t h e r e q u i r e m e n t s o f m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e sa n dp r o d u c t i o nd e s i g n s t h e ya l lh a v e c o n s t a n t l yb e e nr e q u i r i n gt h ei n t e g r a t e d c i r c u i t d e s i g ni n d u s t r y t o p r o v i d e b e t t e ra n dm o r e c o m p l i c a t e da s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ) p r o d u c t si ns h o r t e rt i m e a l lo ft h i sc a n o n l y b ea c h i e v e d b y a u t o m a t i c d e s i g n av e r y i m p o r t a n ts t e po fa u t o m a t i cd e s i g ni s t h el o g i c a l s i m u l a t i o no fd i g i t a ls y s t e m i ts e e m st oh ev e r y i m p o r t a n t t oh a v eaf a s ta n de f f i c i e n t l o g i c a l s i m u l a t i o n s y s t e m t o d e s i g n a n dm a n u f a c t u r e u i c i r c u i t sw h i c ha r ei nt h e f o r mo fp a t e n t f i r s t l y t h i sa r t i c l e i n t r o d u c e st h ef e a t u r e s ， s t r u c t u r ea n dd e v e l o p m e n t o fv h d ll a n g u a g ea n d p a r a l l e lt e c h n o l o g ya sw e l l i ta l s op o i n t so u tt h e a d v a n t a g eo fc l u s t e r i n g p c sr u n n i n gi np v mp a r a l l e l e n v i r o n m e n t s e c o n d l y i td i s c u s s e si nd e t a i lt h e p u r p o s e ，p r o c e s s a n dm o d u l eo fv h d ll o g i c a l s i m u l a t i o n i tm a k e sc o m p a r i s o n o fs e v e r a l s i m u l a t i o n a l g o r i t h m s w h i c ha r ei nc o m m o nu s e ， p o i n t i n go u tt h ea d v a n t a g eo fp a r a l l e ls i m u l a t i o n t h i r d l y i td i s c u s s e sp v m ( p a r a l l e lv i r t u a l m a c h i n e ) i ta n a l y z e st h ef e a t u r e so fv h d ll a n g u a g e a n dt h eb a s i ct h e o r yo fp a r a l l e ls i m u l a t i o n b a s e d o nt h ea n a l y s i sa n dt h ef a c tt h a td i g i t a ls y s t e mc a n b ec o n s i s t e do faf e ws u b s y s t e m sa n dt h e i rl o g i c a l f u n c ti o n sa r e i n d e p e n d e n t f r o me a c ho t h e rit d i s c u s s e st h eo b j e c to r i e n t e da n a l y s i sa n dd e s i g n m e t h o d t h r o u g hm u l t i l a y e r m u l t i a r e aa n d s t a n d a r d h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e v h d li t d i s c u s s e sd i g i t a ls y s t e m i t i l l u s t r a t e s h o w i n d e p e n d e n t m o d u l e sa r ed i v i d e dd u r i n gc o m p i l i n g a n ds o r t i n gp h a s e i tt a k e sam o d u l ea sa ne x a m p l e t od ol o g i c a ls i m u l a t i o n i nc l u s t e rb a s e d o n p v m ( p a r a l l e l v i r t u a lm a c h i n e ) i t d i s c u s s e sh o w s y n c h r o n i z a t i o ni sa c h i e v e d v i am e s s a g es e n d i n ga n d r e c e l v l n g i nt h ef o l l o w i n gt h i sa r t i c l ed e s c r i b e sac l u s t e r e n v i r o n m e n tw h i c hi sb a s e do np v ma n dw h i c hc o n t a i n s 8n o t e s i ti l l u s t r a t e st h es i m u l a t i o nb a s e do ns p m d a l g o r i t h m o f p v m s i m u l a t i o ni sd o n ea f t e rc o m p i l i n g a n d d i v i d i n g a l l t h ei n f o r m a t i o n r e q u i r e db y s i m u l a t i o ni s p r o v i d e dd u r i n gc o m p i l i n g a n d d i v i d i n g t h e m a i nc o n t r o lm a c h i n es t a r t sa n a p p l i c a t i o n ，w h i c h i si nc h a r g eo fc r e a t i n gt a s k g r o u p ，i n i t i a l i z i n g a n d s e n d i n gm e s s a g e s t o s u b n o t e st os t a r tp a r a l l e lt a s k s ，r e c e i v i n gr e t u r n v m e s s a g e s ，p r o c e s si n g d a t aa n dd is p l a y i n gd a t a a s u b - n o t em a c h i n er e c e i v e sm e s s a g e ( d a t a ) ，a n a l y z e s d a t a ，s t a r t sc o r r e s p o n d i n g c o m p o n e n t s i m u l a t i o n s u b a p p li c a t i o n ，p r o c e s s e sd a t a ，s e n d sm e s s a g e a n d w a it sf o rn e x tm e s s a g e i nt h el a s t p a r t t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h e e x p e r i m e n to ft h es t u d ys t a t e d a b o v e i te f f e c t i v e l y s o l v e sp a r a l l e l p r o b l e m s b a s e d o nt h e a n a l y s i s u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n st h em e t h o d c a na c h i e v e i d e a lp e r f o r m a n c e ，b u ti td o e sc o n t a i n si s s u e s f o r e x a m p l e ，t h e r e i s d i s a d v a n t a g e o f p a r a l l e l c o m p u t i n g i ft h e n u m b e ro fp a r a l l e lt a s k si sn o t p r o p e rm e s s a g es e n d i n ga n dr e c e i v i n g c a nc a u s ew a s t e o f p r o c e s s o r s t h i s c a ne f f e c tt h et i m ea n d p e r f o r m a n c eo fs i m u l a t i o n p a r a l l e la l g o r i t h m sc a n b e o p t i m i z e db yu s i n gs o m em e t h o d s t h e s e i s s u e s w i l lb es o l v e di nf u t u r e e x p e r i m e n t s a n dt h e a l g o r i t h mw i l lb eo p t i m i z e d k e y w o r d s ：v h d l ，p v m ，d i s t r i b u t e d ，s i m u l a t i o n v l l 第一章绪论 1 1 硬件描述语言v h d l 仿真的发展与现状 随着l s i 和v l s i 工艺水平的不断发展，数字系统的规模和复 杂性正以前所未有的速度不断扩大。因此，提供一种快速高效的 逻辑模拟系统，对设计和制作具有自主知识产权的芯片显得尤为 重要。目前，国内外在逻辑模拟系统中所采用的算法，多数采用 表驱动方式，顺序处理一个一个事件。其特点是在时间和电路空 间都是串行的。虽然也有提出并采用了在时间上高度并行的一次 模拟多个时间的逻辑模拟算法( 成为面向过程的逻辑模拟算法) ， 提高了模拟效率，但在电路空间的处理上，仍然没有做到并行。 从逻辑上看，一个数字系统是由功能上相互独立的若干子系统 构成。逻辑上的独立性，可使我们利用面向对象的分析和设计方 法及软件构件和框架方式。通过多层次、多领域、标准的硬件描 述语言v h i ) l 语言对数字系统描述，在编译和排序阶段，实现独立 模块的划分；并采用在时间上并行的模拟算法对一个模块对象的 实例，在局域网环境下，建立p c 机群的基于p w l ( p a r a l l e l v i r t u r a lm a c h i n e ) 的网络并行环境，进行模拟并通过消息传递， 实现空间上的模拟同步。 本论文提出的并行算法是基于局域网和面向过程驱动相结合 算法，有效解决了在时间和空间上并行的问题。从而为推动设计 具有自主知识产权的芯片和实现越来越复杂的数字系统设计自动 化起到积极的作用。在数字系统的设计领域具有广阔的推广前景。 1 。2 硬件描述语言v h d l 硬件描述语言( h d l ，h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 至今 约有4 0 年的历史，现已成功的应用于a s i c 自动设计的模拟验证 和综合优化等方面。其最大的特点是借鉴高级程序设计语言的功 能特性对电路的行为与结构进行高度抽象化、规范化的形式描述， 并对设计进行不同层次、不同领域的模拟验证与综合优化的处理， 使设计过程达到高度自动化。至8 0 年代末，硬件描述语言的发展 进入多领域、多层次阶段并且迫切要求标准化和集成化。最终， 只有v h d l 和v e r il o g 适应了这种发展趋势，先后成为i e e e 制定 的硬件描述语言的工业标准。 v h d l 语言的全称是“超高速集成电路硬件描述语言” ( v e r y h i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 。v h d l 的结构和方法受到a d a 语言的影响，并吸收了其 它硬件描述语言的某些优点。t 9 8 6 年3 月，i e e e 开始致力于v h d l 的标准化工作，为此，成立了审查和完善v h d l 的标准化小组。美 国空军全力支持这项工作。并与i n t e r m e t r i c s 签订发展v h d l 的 支撑软件合同。1 9 8 7 年1 2 月i e e e 推出i e e es t d l 0 7 6 1 9 8 7 。 v h d l 语言成为i e e e 的语言标准后。很快在世界各地得到广泛 应用，逐渐成为数字系统a s i c 设计中的主要硬件描述语言。1 9 9 5 年在中国国家技术监督局组织下编撰并出版了 c a d 通用技术规 范，推荐v h d l 语言作为我国电子设计自动化硬件描述语言的国 家标准。 为了增强v h d l 语言的描述能力，方便设计应用，i e e e 在广泛 征求各方面意见的基础上，对i e e es t d1 0 7 6 1 9 8 7 标准进行了修 改和扩充。修订版于1 9 9 3 年4 月成为美国国家标准局( a n s i ) 标 准，并于同年9 月被i e e e 任可，即i e e es t d1 0 7 6 1 9 9 3 。 此外，i e e e 为了促进v h d l 的应用还成立了专门机构v a s g ( v h d l a n m y s i sa n ds t a n d a r d sg r o u p ) ，下设多个专题组进行有关v h d l 子标准的建立工作，如v h d l 综合包标准工作组( 1 0 7 6 3 ) ，a s i c 建模工作组( 1 0 7 6 4 ) 、综合互操作性工作组( 1 0 7 6 6 ) 等，并 已经制定了一系列v h d l 子标准。这些标准的建立使得不同e d a 工 具间可以通过v h d l 进行各种设计信息的数据交换，无疑将推动 v h d l 的更广泛应用。 1 2 1v h d l 语言的特点 v h d l 是一种独立于实现技术的语言，它不受某一特定工艺的束 缚，允许设计者在其适用范围内选择工艺和方法。v h d l 语言的最 大特点是描述能力极强，覆盖了逻辑设计的诸多领域和层次，并 支持众多的硬件模型。具体而言，v h d l 较其他的硬件描述语言有 如下优越之处： 1 、既支持从系统级到门级电路的描述，同时也支持多层次的 混合描述；描述形式可以是结构描述，也可以是行为描述，或者 二者兼而有之。 2 、既支持自底向上( b o s o m u p ) 的设计，也支持自顶向下 ( t o p d o w n ) 的设计；既支持模块化设计，也支持层次化设计；支 持大规模设计的分解和设计重用。 3 、既支持同步电路，又支持异步电路；既支持同步方式，也 支持异步方式。 4 、既支持传输延迟，又支持惯性延迟，可以更准确的建立复 杂的电路硬件模型。 5 、数据类型丰富，既支持预定义的数据类型，又支持自定义 的数据类型；v h d l 是强类型语言，设计电路安全性好。 6 、支持过程和函数的概念，有助于设计者组织描述，对行为 功能进一步分类。 7 、提供了将独立的工艺集中于一个设计包的方法，便于作为 标准的设计文档保存，也便于设计资源的重用。 8 、v h d l 语言的类属提供了向设计实体传送环境信息的能 力。 9 、v h d l 语言的断言语句可用来描述设计本身的约束信息， 支持设计直接在描述中书写错误条件和特殊的约束，不仅便于模 拟调试，而且为综合化提供了重要信息。 1 2 2v h d l 的结构 一个完整的v h d l 语言程序通常包含实体( e n t i t y ) 、结构体 ( a r c h i t e c t u r e ) 、配置( c o n f i g u r a t i o n ) 、包集合( p a c k a g e ) 、 的库( l i b r a r y ) 5 个部分。前4 种是可分别编译的源设计单元。 【4 l 一个相对完整的v h d l 程序具有如图卜1 所示的结构。 医司 l 实体i i一 图i - iv h d l 程序结构 1 、实体作为一个设计实体的组成部分，其功能是对这个设计 实体与外部电路进行接口描述。实体是设计实体的表层设计单元， 4 厂fl，llj。、llllli 实体说明部分规定了设计单元的输入输出接口信号或引脚，它是 设计实体对外的一个通信界面。 2 、结构体具体指明了该设计实体的行为，定义了该设计实体 的功能，规定了该设计实体的数据流程，指派了实体中内部元件 的连接关系。用v h d l 语言描述结构体功能有3 种方法： ( 1 ) 、行为描述法：指对设计实体的描述按算法的路径来描述， 采用进程语句，顺序描述设计实体的行为。 ( 2 ) 、数据流描述法：描述了数据流程的运动方向、运动路径 及运动结果，采用进程语句顺序描述数据流在控制流作 用下被加工、处理、存储的全过程。 ( 3 ) 、结构描述法：采用并行处理语句描述设计是体内的结构 组织和元件互连关系。适用于层次化设计，对于一个复 杂的电子系统，可以分解成许多子系统，子系统再分解 成模块口j 。 3 、块( b l o c k ) 语句结构：块可以看作是结构体中子模块， 实际上结构体本身就等价与一个b l o c k 块，或者说一个功能块。 b l o c k 是v h d l 中具有的一种划分机制，这种机制允许设计者 合理的将一个模块分为数个区域，在每个块中都能对其局部信号、 数据类型和常量加以描述和定义。利用b l o c k 语句可以将结构 体中的并行语句划分成多个并列方式的b l o c k ，每一个b l o c k 都象一个独立的设计实体，具有自己的参数说明和界面端口，以 及与外部环境的衔接描述。 4 、进程语句：是并行处理语句，即各个进程是同时处理的， 在个结构体中多个p r o c e s s 语句是同时并发运行的。具有如下 特点： 进程结构内部的所有语句都是顺序执行的。 多进程之间，是并行执行的，并可访问构造体或实体中所定 义的信号。 5 、包集合存放每个设计模块都能共享的数据类型、常数和子 程序等。 6 、配置从库中选取所需单元来组成系统设计的不同版本。 7 、库存放已经编译的实体、构造体、包集合和配置。库可由 用户生成或f ha s i c 芯片制造商提供，以便在设计中为大家所共 享m i 。 一个简单的v l q l ) l 程序： 图卜2 是个2 选l 的多路选择器逻辑图，e t 和b 分别是两个 数据输入端的端口名，s 为通道选择控制信号输入端的端口名，y 为输出端的端口名。其逻辑功能可描述为：若s = 0 则y = a ；若s = l 则y ：b 。 a bm u x 2 1 y s 图1 2 多路选择器逻辑图 此选择器的功能可作如下的v h d l 描述： i e e e 库c - l i b r a r yi e e e ； 使用说明1u s e i e e e s t dl o g i c1 1 6 4 a l l ； 实体描述 结构体 说明 e n t i t ym u x 2 1i s p o r t fa ， b ：i ns t dl o g i c ： s ：i ns t dl o g i c ； y ：o u ts t d _ _ l o g i c ；) ； e n de n t i t ym u x 2 l ： a r c h i t e c t u r eo n eo fm u x 2li s b e g i n y = a w h e ns = 、0 、e l s e bw h e ns = 、1 、： 1 3 v h d l 模拟 1 3 1 硬件的并发模拟 v 4 1 ) l 的并发性体现在两个方面，首先使用v h o l 进行数字电路 设计时存在并发性，即v h d l 支持设计分解，可使被分解的各予部 6 rj、l广fi 分的设计并行完成。其次，模型的设计主要由三部分组成：定义 实体一确立模型与环境的接口；定义结构体一完成模型的功能描 述；定义测试部分一为模型生成测试向量，并捕获模型输出信号 状态以供分析。 下面，通过模型的设计过程加以说明。 首先，在系统分析阶段，系统分析者可将设计对象分为若干独 立的子元件，交给若干设计小组实现。系统分析者严格定义元件 接口，并将元件之间的相互作用以文档的形式提供给各设计小组。 其次，各设计小组独立并行地对子元件进行设计，并对子元件 进行模拟验证，确保正确性。 最后，系统设计者集成各予元件形成完整的设计，对整个设计 进行模拟验证。设计的并发性可大大加快整体设计进程和提高设 计质量。 v h d l 之所以称为硬件描述语言，很重要的一点是因为它在模拟 执行上具有并发性，这点很适于描述电路活动的并发性特点，是 其它程序设计语言所不具备的。 1 3 2 混合级描述及混合级模拟 1 、v h d l 的描述范围覆盖系统级、算法级、寄存器传输级、逻 辑电路级，具有连续性和完整性。v h d l 的结构描述方式和行为描 述方式有机结合，各描述层次之间彼此衔接，协调一致。 2 、目前，较常用的大规模集成电路的设计方法包括基于标准 元件库的自底向上的设计方法和便于早期优化的自顶向下的设计 方法，以及自底向上和自顶向下相结合的设计方法。由于设计规 模日益增大，设计复杂度急剧增加，传统的设计起点偏重低层的 方法，会因设计规模的庞大增加很大的工作量。因此提高设计层 次，注重早期优化，是现行较好的设计方式。 目前，设计对象整体的设计过程经历多个层次。首先，在较高 7 的抽象层次，进行前期的概念设计，优化设计模型；然后经由高 级综合工具综合，产生寄存器传输级网表；最后经低层次综合工 具，形成最终的设计结果。因此，由于存在多层次设计，就需要 多个层次上的模拟，v h d l 模拟器可完成混合级模拟，可为各个层 次的硬件设计提供有效模拟，反映设计意图，供设计者调试级设 计，是适应当前电路设计的最佳选择之一。 i 4 并行技术的发展与现状 1 4 1 并行计算机系统 对于计算机的分类有许多方法，f l y u n 分类法。”。按照用指令 流和数据流进行分类的f l y u n 方法，计算机系统可分为以下四大 类： 单指令流单数据流s i s d ( s i n g l ei n s t r u c t i o ns t r e a ms i n g l e d a t as t r e a m ) 计算机。这就是传统的顺序处理计算机 单指令流多数据流s i m d ( s i n g l e i n s t r u c t i o ns t r e a m m u l t i p l ed a t as t r e a m ) 计算机。是指多个处理单元在同一个控制 器下工作的计算机系统，该系统中的各个处理单元执行相同的指 令流，但作用在不同的数据流上。 多指令流单数据流m i s d ( m u l t i p l ei n s t r u c t i o ns t r e a m s i n g l e d a t as t r e a m ) 计算机。尽管在概念上存在这种计算机， 但实际上以何种机器为代表尚存在异议。 多指令流多数据流m m d ( m u l t i p l ei n s t r u c t i o n s t r e a m m u l t i p l ed a t as t r e a m ) 计算机。是指多个处理单元各自执行不 同的指令流，并分别作用于不同的数据流上。 对于并行计算机来说，主要是m i m d 和s i m d 类型，s i m d 包括向 量计算机和阵列计算机等，如d a p ，c 卅2 ，m a s p a r m p 一2 ，c r a y 一1 ，f u j u s t uv p x ，c o n v e xc 1 ，国产机y h 一1 等，根据各处 理机间耦合程度的不同，m i m d 系统又可分为如下三类： 共享存储( s h a r e dm e m o r y ) 的多处理器系统： 各个处理器之间通过公共总线、交叉开关或多级互联网络等方 式共享一个公共的存储器，分散在各个处理器中的应用程序的各 个部分之间可以方便地通过共享的存储变量来交换数据并实现各 种互斥和同步操作。这样的系统也叫做紧耦合多处理机( t i g h t l y c o u p l e dm u l t i p r o c e s s o r ) 。由于受到存储器带宽的限制，这类系 统的可扩展性较差，一般很难达到非常高的性能。 分布存储( d i s t r i b u t e dm e m o r y ) 的多处理器系统： 这类系统的每个处理单元都包括处理器、存储器和网络接口等 部件，可以看成是一个完整的计算机，各个处理单元之间则通过 一个高速互连网络连接在起。处理结点之间的数据传输不是通 过共享存储器，而是通过在互连网络上进行消息传递( m e s s a g e p a s s i n g ) 来实现。它采用了分布式的存储器，各个处理器不仅可 以访问自己局部的存储器，也可以通过互连网络访问其它结点上 的存储器。由于高性能的互连网络能够连接多达成千上万个处理 结点，所以这种多计算机系统具有良好的扩展性，可以把多达上 万个处理器连在一起构成个大规模并行处理( m a s s i v e l y p a r a l l e lp r o c e s s i n g ，简称m p p ) 系统。 工作站集群( n e t w o r ko fw o r k s t a t i o n s 或c l u s t e ro f w o r k s t a t i o n ) 系统1 该类系统的每个结点就是一台串行机或并行机，每个机器通过 局域网或广域网连接在一起，并配以相应的支撑软件( 主要是消 息传递程序库和并行程序开发环境。”1 ，对整个机器资源进行统一 调度和协调处理，从而实现高效的并行处理。 n o w 具有许多优点： 性能价格比高： 与巨型机和m p p 系统相比，n o w 是一种性能可逐步与之相比拟 而价格又相对较低的选择，这也正是n o w 得以迅速发展的一个最 9 重要的原因。近年来，由于超大规模集成电路技术的提高，其性 能价格比以每年3 5 的速度提高。这使得n o w 性能接近或超过m p p 系统成为可能。 可充分利用各个结点的资源： 各个结点( 如工作站、服务器、高档微机以及小型机、巨型机 等) 构成n o w 以后，可以在空闲时间里给其加载并行计算任务， 使其资源得到充分的利用。 使用方便，结构灵活： 对于m p p 系统来说，其峰值性能有可能很高。然而在实际应用 中，只有当应用问题的特性与系统结构匹配的比较好时才能够获 得令人满意的运行效果，所以其适用面较窄。而异构系统n o w 可以 由高档通信网，并且可以根据需要形成各种各样的拓扑结构，以 充分发挥各个结点的效率，从而n o w 环境能够更全面地满足各种 高速复杂并行计算的需要。 平台标准、通用： n o w 环境配有可移植的系统软件，具有良好的可移植性，满足 用户的需求。 以上这些特点，使得工作站集群系统成为一种非常有吸引力的 并行处理系统。各大并行机厂家都在集群系统的研制方面投入了 大量的人力、物力和财力。所以这些，标志着工作站集群系统n o w 已成为一个新的研究热点，在未来的高性能计算等邻域具有十分 良好与广阔的发展前景。 1 4 2 并行技术的现状 并行处理技术通常包括三方面的内容。”并行计算理论、并行计 算环境和并行体系结构。并行计算理论主要研究并行计算机制、 并行计算模型和并行算法。并行计算环境通常是指支持并行计算 的软件环境，它包括并行程序设计语言、并行化编译器、并行程 1 0 序编程、调试和分析工具，以及并行操作系统。并行体系结构的 研究涉及系统总体结构、处理器间的互连和控制方式、互连网络 的拓扑结构和存储器的组织方式( 集中共享或分散存储) 等多个 方面。 其中，关于并行计算理论的研究相对较为独立。而并行计算环 境和并行体系结构是息息相关的，体系结构的进步使得人们可以 制造出更先进的并行机，同时对并行软件环境的支持提出新的要 求。 要发挥并行系统的作用，软件是一个关键问题。再好的硬件系 统，没有合适的软件支持是无法被充分利用的。虽然目前的软件 技术的发展取得了令人瞩目的成果，但是与硬件上的进展相比， 软件始终是落后一步，而且差距有拉大的趋势。并行软件的缺乏 一直制约着并行系统的大量推广。造成并行软件缺乏的主要原因 有以下几点： 首先，并行程序模型比串行程序复杂，程序设计难度更大，为 了有效开发并行性，人们提出了很多并行程序模型，如共享存储、 消息传递、数据并行等。这些模型各有其优缺点和适用范围，就 具体的某种模型而言，不可避免地要考虑任务划分、数据划分、 通讯同步等问题。这正是并行程序设计的复杂之处。 其次，并行程序的调试工作艰巨，使得软件开发周期长。 第三，并行系统的多样性使得并行软件成为系统的专有软件。 现有的并行处理系统之间的差别很大，从处理器、存储器组织， 到互连方式，都没有比较统一的标准。系统的支撑软件也不一样， 编程模型与编程工具各有不同，在这种情况下，针对某个系统编 写的软件往往只能在该系统上使用。而且，能在某一系统上熟练 编程的程序员到另一系统上，又要经过一个重新学习的过程，才 能熟悉新系统的编程方法。 第二章综述 2 1v h d l 逻辑模拟的目的 逻辑模拟是一种设计检验工具，虽然不能完全代替真实产品的 调试，但它可以使硬件的调试工作减少到最小。如果把逻辑模拟 和自动化逻辑设计连成一个系统，使用标准的逻辑元件库，在逻 辑设计的同时进行逻辑模拟，不仅可以检验逻辑设计的正确性， 也可以支持自上而下的逻辑设计。 模拟是一种仿真过程，首先要对被模拟的电路系统建立模型， 使建立的模型从数学上或功能上模仿实际系统的行为。建立模型 必须使用一些必要的约束条件和近似条件，因此，模型和实际系 统之间会有差别。根据对系统的模拟要求，可以对不同级别的元 件建立模型，以功能块作为元件的模拟称为功能块级模拟；”以 门作为元件的模拟称为门级模拟。 逻辑模拟是用一组随时间变化的信号，作用于数字系统的逻辑 模型，计算出模型中各节点的行为特性。在数字系统的设计中使 用逻辑模拟的主要目的是： 硬件实现之前检查逻辑设计的正确性，以及线路中的竞争、冒险 在等。 1 对逻辑设计的方案做出评价，提供改进和修改的参考资料。 2 利用逻辑技术，通过插入故障，可证实故障检测的过程。 3 通过逻辑模拟，可获得电路动作的详细参考数据，为产品的 制造、测试和验收提供宝贵的资料。 逻辑模拟之所以被广泛的使用，是由于它不仅能检验逻辑的正 确性，而且可以察看电路中所有逻辑元件的状态，观察逻辑动作 的中间结果，可以获得每个单位时间内所有元件的状态，甚至能 够识别出通过分析或实际的硬件调试也难以发现的错误。 2 2 逻辑模拟过程 用户使用逻辑模拟程序前，要用专用的逻辑描述语言对逻辑电 路进行描述。逻辑电路的描述包括两部分：电路描述和模拟参数 描述。被模拟的电路的所有元件及其互连关系经描述后输入到计 算机中，通过编译，把逻辑图转换成计算机内部的数据表格，或 称计算机内部的拓扑图。电路中的逻辑元件可以是设计者自己定 义的，也可以是单元库中的标准元件。”“ 计算逻辑元件的状态值有两种方法，计算子程序方法和查真值 表方法。如果使用子程序方法，要对每种类型的元件编写一个计 算子程序。子程序的输入参数就是元件的输入值，子程序的返回 值是元件的输出状态值。真值表法是把输入状态向量作为查表的 地址，返回元件的输出状态值。 模拟参数的描述是确定电路的初始状态、外部激励信号的波形 数据、电路观察点和观察时间、模拟步长、总模拟时间及其它的 模拟参数。当这些参数输入到计算机后，由程序设置一个软件模 拟时钟，在模拟时钟控制下，在离散的时间间隔上计算逻辑元件 输出信号的状态值，追踪通过网络各节点逻辑状态值的变化。继 续这个过程，直到电路网络各节点的逻辑状态处于稳定，或者达 到预先规定的模拟时间为止。模拟结果的输出可以是随时间变化 的状态指标，或者是图形输出设备上输出的波形图。 逻辑网络描述和模拟参数的设置可以彼此独立的进行。对同一 个电路网络，可以输入不同的外部激励信号的波形进行多次模拟， 也可以设置不同的初始状态，或改变其它的模拟参数进行多种组 合情况的模拟，以便对模拟设计的方案从不同的方面进行评价。 参数的改变方式可以是静态的批量输入方式，也可以是动态的交 互控制方式。 在批输入的方式中，由于模拟参数不能随时根据模拟结果进行 适当的改变，因此，不能实时地控制模拟过程，每次改变参数都 要从头开始模拟，因此要花费较多的模拟时间。 在交互式的模拟系统中，用户可以在终端上通过模拟子命令交 互的控制模拟过程。交互式模拟系统的主要功能是允许用户在模 拟过程中任意设置断点：如在指定的模拟时刻设置断点；或在指 定到达的模拟步数处设置断点；或模拟模型达到指定的状态条件 时设置断点；或输入信号的波形不满足约束条件时设置断点等等。 当模拟停在断点的时候，可完成如下交互功能： 1 在终端上显示某些模拟结果。 2 修改外部激励信号的波形，修改观察点，修改某逻辑元件 的延迟时间，修改条件检查的参数及其它模拟参数等。 3 可以在用户指定的时刻重新开始模拟。 由此可知，交互式模拟系统更灵活方便。一旦发现有设计错误， 即可进入断点，改变参数，再继续模拟，可节省模拟时间。 评价一个逻辑模拟软件，主要从以下三个方面来考虑：模拟的 精度，实用性和它的用户接口。模拟的精度是指模拟器计算的随 时间变化的信号值与真实电路反映的接近程度。实用性是指模拟 器处理各种逻辑设计的能力，包括能否处理同步电路和异步电路； 提供逻辑模型的范围，从简单的门电路到复杂的存储器、运算器、 加法器等较为复杂的逻辑元件；能否允许指定各种时序约束条件， 如脉冲宽度、建立时间和保持时间；检查竞争、冒险等时序问题； 以及处理电路状态初始化等。”“由于m o $ 电路的广泛使用，逻辑 模型还必须包括m o s 电路的传输门和双向元件。用户接口是指能 给用户提供一个直观、易学的电路描述语言，能准确的报告错误， 并提供强有力的手段显示模拟结果。 1 4 2 3 逻辑模拟模型 为了对数字系统进行模拟，需要对被模拟的电路建立模型。建 立模型的过程，就是对模拟的对象作某种假设，忽略次要的因素， 突出主要的方面，从而把实际电路化简。模型越复杂，则与实际 电路的反映越是接近，模拟就越精确，但花费的计算机代价也就 越高。选取什么样的模型，取决于模拟的目的和对模拟的精度要 求。 不同的逻辑模拟系统对逻辑模拟的元件有不同的要求和规定， 基本元件类型可划分为以下几种元件模型。 门；基本的逻辑门包括与门、或门、非门、与非门、或1 l - j 、 异或门、同或门等。它们是逻辑电路中最基本的元件。同一类门 元件的差别主要是输入端个数、延迟时间及扇入、扇出系数等。 因此，门元件输出值的计算比较简单，可利用函数子程序计算布 尔表达式求值，或通过查真值表求值。 通常，门级逻辑模拟软件都允许定义各种类型的触发器。触发 器虽然不能象门一样用一个简单的函数就可以求值，但因触发器 的功能是固定的，可以直接编写计算输出值的子程序。 功能块：功能块是用来表示数字系统中具有一定逻辑功能的网 络，如寄存器、存储器、译码器、加法器等。在整个数字系统中， 功能块作为独立的元件可多次使用，对于大型数字系统，如果完 全用门来描述，不仅繁琐，而且会大大增加模拟的信息，需要更 大的存储空间和运算时间。” 功能块的逻辑功能可以是各式各样的，不便于用一个简单的表 格或布尔方程式来表示。但是，就某一功能块来说，其功能是固 定的，输入和输出之间的逻辑关系是确定的，可以利用表格的形 式、表达式赋值语句及条件语句的组合来描述其逻辑功能。因此， 功能块输出值的计算采用子程序的方式较好，根据功能块的逻辑 功能，用程序设计语言编写出功能计算子程序，每个类型的功能 块，唯一的对应一个计算子程序。功能块的输入向量是子程序的 输入参数，子程序的返回信息是功能块的输出值。功能计算子程 序的复杂程度随功能块的不同可能差别很大。 在功能块级模拟中，通常包括有逻辑门，实际是门级和功能块 级的混合模拟”3 。 2 4v h d l 常用模拟算法 2 4 1 、，】i - b ) l , 模拟周期 为了帮助理解模拟周期，先介绍几个术语。 驱动一信号的驱动是输出波形的容器。 信号的值是它的驱动当前值的一个函数。 信号激活一如果在模拟周期期间，信号的驱动得到一个新值， 那么这个信号将会被激活。”3 1 v h d l 模拟分为初始化和模型中进程语句的重复执行两部分。每 一次重复执行就是一个模拟周期。在初始化阶段，模拟事件被假 设为0n s ，给所有的信号赋予确定的值并且执行模型中的所有进 程，直到这些进程被挂起。为了得到下一个模拟周期的时间，这 个时间被看作是第一个被激活的信号驱动或者是重新开始的下一 个进程。 模拟周期由以下几步组成： 每一次激活，模型中的信号被更新。如果这个新值不同于原来 的