数字滤波器的Unity描述与SystemC实现.doc

并行计算课程论文数字滤波器的UNITY描述与SystemC实现 支持向量分类机数字滤波器的UNITY描述与SystemC实现庞九凤 10548859北京大学微处理器研发中心Email: 摘要：UNITY是一种包含计算模型和证明系统的并行程序设计方法，它的不确定性和同步等特性和硬件设计类似，而且其证明系统为硬件验证提供了有效的途径。本文以数字滤波器为例，介绍了UNITY在硬件设计中的应用。首先用UNITY程序描述数字滤波器，考虑到硬件实现等因素，对UNITY程序改进，最后把它转化成基于SystemC语言的硬件描述。关键字：数字滤波器；UNITY；SystemC随着超大规模集成电路的出现，芯片设计的复杂性越来越大，验证工作在系统设计中占总工作量的65%到75%【1】，如何对芯片进行有效的验证，提高验证工作的效率成为备受关注的问题。UNITY是一种与体系结构无关的并行程序设计方法，其不确定性和并发性和硬件设计类似，很适合用UNITY程序描述硬件设计，而且UNITY证明系统能有效地验证硬件设计正确性。本文首先用UNITY描述数字滤波器，根据硬件的时间，代价和物理约束对UNITY程序进行调整，然后用硬件描述语言SystemC对其进行改写，最后使用Synopsys公司提供的综合工具将其综合成网表，用硬件实现FIR滤波器。1.UNITY简介 UNITY是一套关于计算模型和形式化证明系统的理论，代表了一种与具体的底层实现无关的并行程序设计方法【2】。通过将问题本身的描述(what to do)和具体的实现方法(when, where, how)分离，使得设计人员关注于问题本身；证明系统为程序的正确性验证提供了有效的途径；经过验证的程序可以映射到多种不同体系结构。UNITY程序主要有以下特征：n 无控制流：和传统的顺序程序不同，UNITY程序不强制规定语句的执行顺序，只描述程序做什么，不描述怎么做；n 确定性和不确定性：在某一状态下执行某表达式或语句得到确定的下一状态；但程序初态，变量的初始化值是不确定的，Active程序可能每次执行的不动点都不同，而且每次选择哪个语句执行也是不确定的。n 同步和不同步：变量可以被同步赋值，如：x,y:=y,x，合二为一语句的执行是同步的，如：x:=y | y:=x；一分为二语句的执行是不同步的，如：x:=y y:=x。每次执行UNITY程序都得到一个公平的序列，即每个语句都被选择执行无穷多次。UNITY程序的同步和不确定性使得它可以很好地描述计算机硬件并发等特性。2.数字滤波器及其UNITY描述2.1 数字滤波器数字滤波器是输入和输出均为数字信号，通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些成分的部件，它是一个线性时不变离散时间系统【3】【4】。按照数字滤波器的实现网络结构或单位脉冲响应的不同，可以分为无限脉冲响应(IIR)滤波器和有限脉冲响应(FIR)滤波器；不同的运算处理方法决定了滤波器实现结构的不同。本文将探讨FIR滤波器的直接型结构，如图表 1所示。X(n-1)B1Y(n)X(n)B0X(n-2)B2X(n-3)B3X(n-4)B4X(n-5)B5X(n-6)B6图表 1 FIR滤波器的直接型结构FIR滤波器，也称为非递归滤波器。其新的输出仅取决于过去的输入和当前的输入，而与过去的输出无关。差分方程为：对差分方程取Z变换可得滤波器在z域上的传输函数和脉冲响应：FIR滤波器的设计需要选择系数bk，以便用最少的系数得到所需滤波器的特性，通常需要100200个系数才能得到满意的性能，为简单说明方法，本文仅选用7个系数，即M为6。2.2 数字滤波器的UNITY描述数字滤波器可以用软件实现，也可用硬件实现，还可以用软硬件混合实现。与传统的硬件设计不同，我们没有直接用硬件描述语言设计系统，而是在此之前首先用UNITY描述，因为UNITY的证明系统可以形式化地证明设计的正确性，这种设计的验证在较高的层次上进行，比在寄存器传输级上的验证更能发现设计错误。图表 2是FIR滤波器的UNITY描述，其中xn是当前的输入，yn是当前的输出，finish是滤波完成标志。Program Digital_Filter_1declareyn: interger;finish : boolean;initiallyyn, finish = 0, false;assignfinish := true yn := B0*xn + B1*xn-1 + B2*xn-2 + B3*xn-3 + B4*xn-4 + B5*xn-5 + B6*xn-6end Digital_filter_1图表 2 FIR数字滤波器的原始UNITY描述易知，FIR滤波器根据全局的参数Bk(1=k=6)，过去的输入xk(1=k=6)和当前的输入xn经过运算得出当前的输出yn。数字滤波器一次完成运算，需要7个乘法器和6个加法器。然而硬件设计有其自身的特点。各种运算部件都要占用面积，为了优化面积，应当将被例化的运算部件尽可能地减到最少；有些运算部件，例如乘法器是非常占用面积的运算部件（比加法器占用的面积要多两个数量级），应当尽可能少用这类运算。为此我们对原始UNITY描述进行改进以尽可能地复用运算部件，改进后的UNITY程序如图表 3所示。Program Digital_Filter_2declarey, r0,r1,i,M: integer;finish : boolean;initiallyy,r0,r1,i, M = 0,0,0,0,6;finish = false;assignr1, i := r0 + r1, i+1 if i = M and i!=0 and finish = falsey, finish, i : = r1, true, 0 if i = M + 1 r0:= B0*xn if i = 0 and finish = false B1*xn-1 if i = 1 and finish = false B2*xn-2 if i = 2 and finish = false B3*xn-3 if i = 3 and finish = false B4*xn-4 if i = 4 and finish = false B5*xn-5 if i = 5 and finish = false B6*xn-6 if i = 6 and finish = falseend Digital_filter_2图表 3 改进后的FIR滤波器UNITY描述改进后的FIR滤波器每次挑选一个合适的乘法执行，只需要一个乘法器，每次执行复用同一乘法器，虽然延长了数字滤波的时间，但是面积功耗等开销大大减少，对于时间约束苛刻的嵌入式系统来说，这是一种较好的方案。首先，利用UNITY证明系统，FIR数字滤波器的正确性可以得到有效的验证，再把它转换成硬件描述语言的描述，大大减轻了硬件系统的验证工作。UNITY在一个比较高的层次上描述硬件设计，可以快速方便地调试，在较短时间内形成功能正确的系统模型，我们称之为参考模型(reference model)，参考模型具有和最终硬件设计对外反映出相同的系统行为特性，具有相同的输入和输出，同时给它们相同的激励输入，它们按照各自的逻辑处理后会得出相同的输出，如果发生不一致，说明硬件设计有错误，通过参考模型可以迅速地定位和更正硬件设计的错误，称为硬件设计中的协同模拟。3.数字滤波器的SystemC实现SC_MODULE(Digital_Filter)sc_in CLK;sc_inx0, x1, x2, x3, x4, x5, x6;sc_out finish;sc_outy;int r0,r1 ;SC_CTOR(Digital_Filter);i = 0;r0 = 0;r1 = 0;y = 0 ; finish = false;SC_METHOD(filter);dont_initialize();sensitive_pos(CLK);图表 4 FIR滤波器的SystemC模块定义SystemC是一种建立在C+基础之上的开放的系统级建模语言【5】【6】，它在C+的基础上通过类库的方式提供了系统建模所需的元素，包括硬件的时序、并行性、连通性等，既保留了C+的所有优点，又能满足硬件建模的需要。通过编译并执行SystemC模型来理解系统的行为，SystemC模型通常被称为可执行规约（execute specification）。void Digital_Filter: filter()if(finish = false)switch (i):case 0: r0 = B0*xcase 1: r0 = B1*x1case 2: r0 = B2*x2case 3: r0 = B3*x3case 4: r0 = B4*x4case 5: r0 =B5*x5case 6: r0 =B6*x6 if(i =M & finish = false)r1 := r0 + r1;i+;if(i = M + 1)y= r1;finish = true;i = 0;图表 5 FIR滤波器的SystemC内部实现目前国际著名电子设计自动化(EDA)公司Synopsys研发出了SystemC综合工具，支持把SystemC语言描述的硬件设计综合成门级网表。4.小结本文以数字信号处理中的数字滤波器为例，简要介绍一套硬件设计的新思路。首先根据数字滤波器的基本理论给出了UNITY描述，然后针对硬件设计中的约束，改进了UNITY描述。在充分验证后，将其转换成SystemC的硬件描述，利用成熟的综合工具将其综合成电路。目前这种硬件设计思想还仅局限于理论，真正付诸实用还面临着很多问题。UNITY的初衷是为了支持并行程序的设计，不能准确地反映某些硬件设计特性，比如运算部件的时延，时钟纽斜和线延迟等；在UNITY描述向硬件描述转换的过程中，还没有成熟的方法和流程，在很大程度上依赖于设计人员的智慧，是一件极富创造性的过程，适用于小规模的硬件设计，对大规模的复杂系统来说还面临着许多挑战。5.参考文献【1】 【2】 K.Mani Chandy, Jayadev Misra. Parallel Program Design. ADDISON-WESLEY Publishing Company【3】 张立材,吴冬梅. 数字信号处理, 北京邮电大学出版社, 2004年。【4】 苏涛, 吴顺君, 廖晓群. 高性能数字信号处理器与高性能实时信号处理. 西安电子科技大学出版社,1999年【5】 Dr. Guido Arnout. SystemC Standard. IEEE,2000【6】 J.Bhasker 著, 孙海平等译. SystemCTM基础教程, 清华大学出版社, 2004年The UNITY Description and SystemC Implementation of Digital FiltersAbstract: UNITY, which is composed of a strict computational model and strong proof system, is a theory of parallel program designing. The Non-determinism and synchronization are similar to that of hardware design, and the proof system provides an efficient way to verify the functional correctness of hardware. So we introduce the use of UNITY in the develop process of digital filters. First the paper gives the fundamental of digital filters, and describes them in UNITY. Due to the hardware implementation constraints, we improve the UNITY description. SystemC, as a kind of hardware description language, is used to implement the filters in register transfer level. Keywords: Digital F