IEC 61691-82021 行为语言.第8部分标准SystemC模拟混合信号扩展语言参考手册标准立项发展报告

行为语言第8部分：标准SystemC模拟/混合信号扩展语言参考手册标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:BehaviouralLanguages-Part8:StandardSystemCAnalog/Mixed-SignalExtensionsLanguageReferenceManual摘要随着集成电路设计复杂度持续攀升，模拟与数字电路在单一芯片上的深度融合已成为系统级芯片（SoC）设计的主流范式，由此对统一描述模拟/混合信号（AMS）系统的标准化行为语言提出了迫切需求。本报告以国际电工委员会（IEC）发布的IEC61691-8:2021《行为语言第8部分：标准SystemC模拟/混合信号扩展语言参考手册》为标准对象，系统梳理了该标准的立项背景、技术内容、制定过程与应用价值。报告首先回顾了SystemCAMS语言从EDA行业倡议到正式国际标准的演进历程，分析了其在系统级建模、虚拟原型验证及架构探索中的核心作用；继而详细阐述了标准的体系结构、关键语言构件及其相较于早期版本的技术改进；在此基础上，报告介绍了主要起草单位在标准制定中的贡献，并对该标准在汽车电子、物联网及高性能计算等领域的应用前景与未来演进方向进行了展望。本报告旨在为从事电子系统设计与验证的专业技术人员以及标准化管理人员提供系统性的参考。关键词：SystemC；模拟/混合信号；IEC61691；行为语言；电子设计自动化；系统级建模；标准Keywords:SystemC;Analog/Mixed-Signal;IEC61691;BehaviouralLanguage;ElectronicDesignAutomation;System-LevelModeling;Standard一、引言1.1研究背景半个多世纪以来，半导体产业始终遵循着摩尔定律的轨迹高速发展，芯片上集成的晶体管数量持续攀升，单芯片系统（SoC）的规模和复杂度不断刷新纪录。与此同时，无线通信、物联网感知、汽车雷达、生物医疗电子等应用场景的爆发式增长，使得模拟前端、射频收发、电源管理、传感器接口等模拟与混合信号电路在系统中的占比持续上升。据统计，当前典型SoC芯片中模拟与混合信号部分的设计工作量已占整个芯片开发工作量的30%至50%，且这一比例仍在持续增长。然而，在电子设计自动化（EDA）方法论层面，数字电路与模拟电路的设计验证流程长期处于割裂状态。数字域拥有以SystemVerilog、VHDL为代表的成熟硬件描述语言和完整的综合验证工具链，能够在系统级、寄存器传输级（RTL）等多抽象层次上进行高效建模与验证。而模拟域设计仍主要依赖晶体管级的SPICE网表仿真，其仿真速度慢、抽象层次低，难以支撑系统级架构探索和软硬件协同验证的需求。当设计团队需要在同一个平台上对包含数字信号处理、嵌入式软件和模拟前端在内的完整系统进行仿真验证时，往往面临工具链复杂、模型集成困难、仿真效率低下等多重挑战。在这一背景下，建立一种能够在系统级统一描述数字与模拟混合系统的标准化行为语言，已成为集成电路产业界的共识性需求。SystemC模拟/混合信号扩展（SystemCAMS）正是顺应这一需求而发展起来的重要技术解决方案。1.2标准立项的必要性SystemCAMS语言最早由开源系统级建模语言（OSCI）在2006年前后推动制定，并在此后持续演进。然而，在一个较长的时期内，SystemCAMS仅以开源组织发布的参考实现形式存在，缺乏正式的标准化地位。对于工业界而言，这意味着：第一，语言定义的权威性和稳定性得不到国际标准的保障，不同工具实现之间可能存在语义偏差；第二，EDA工具供应商缺乏足够的动力在商业工具中完整实现该语言规范，导致设计团队难以获得成熟的工具支撑；第三，教育培训、知识产权保护和行业采购等环节缺乏明确的标准依据。因此，将SystemCAMS语言规范提升为正式的国际标准，不仅是技术发展的内在要求，也是产业生态完善的必要举措。IEC61691系列标准为硬件描述语言和行为语言提供了标准化的制定框架，其中IEC61691-8:2021的发布标志着SystemCAMS正式成为国际公认的标准化语言规范。二、标准概况2.1标准基本信息IEC61691-8:2021《行为语言第8部分：标准SystemC模拟/混合信号扩展语言参考手册》由国际电工委员会（IEC）发布，发布日期为2021年7月26日，标准状态为现行有效。该标准隶属于IEC61691系列标准体系，该系列标准涵盖了硬件描述语言和行为语言的核心规范，其中既包括经典的VHDL语言标准（IEC61691-1-1），也包括SystemC标准（IEC61691-6）及SystemCAMS扩展（IEC61691-7、IEC61691-8）等。本标准对应的国际标准分类号（ICS）为“信息技术用语言”，表明其属于信息技术领域中形式化语言规范的范畴。2.2标准定位与技术范畴IEC61691-8:2021所规范的对象是SystemC语言在模拟/混合信号领域的标准扩展。具体而言，该标准定义了一套完整的语言构件，使得SystemC这一以数字系统建模见长的C++类库能够有效扩展至模拟和混合信号领域。其核心技术范畴包括：-时序离散与连续时间建模的统一框架：在同一个仿真内核中，同时支持离散事件（DE）驱动的数字逻辑仿真和连续时间（CT）的微分方程求解，并定义了两种计算模型之间的同步与通信机制。-多抽象层次建模能力：支持从行为级（算法描述）到结构级（子系统互联）再到电路级（基尔霍夫定律描述的物理网络）的层次化建模，使设计者能够在精度与效率之间灵活选择。-同步数据流（SDS）计算模型：为周期性采样系统（如数字滤波器、通信接收机前端）提供高效的仿真支持，避免了传统事件驱动仿真在周期性计算中的性能开销。-线性信号流（LSF）计算模型：面向线性时不变系统（如模拟滤波器、放大器）的快速建模，支持传递函数和状态空间表达。-电气网络（ELN）计算模型：提供电阻、电容、电感、电压源、电流源等基本电路元件的模型库，支持基尔霍夫电压定律（KVL）和基尔霍夫电流定律（KCL）约束下的电路仿真。三、标准技术内容详解3.1标准体系的总体架构IEC61691-8:2021的正文内容在整体结构上延续了SystemCAMS语言参考手册的经典框架，并在此基础上进行了针对性的修订与完善。标准的体系结构主要包括以下几个有机组成部分：（1）语言概述与设计目标：阐明SystemCAMS语言的定位——作为SystemC标准语言在模拟/混合信号领域的正交扩展，其设计遵循最小侵入原则，即在最大限度保持与现有SystemC语言兼容性的前提下，增加必要的AMS建模构件。（2）计算模型的形式化定义：标准采用数学化的方式规定了连续时间（CT）、离散事件（DE）以及它们之间的交互语义。这一定义不仅为工具实现提供了精确的参考，也为形式化验证等高级应用奠定了基础。（3）核心语言构件规范：详细规定了AMS扩展引入的类、模块、端口、信号等元素的语法与语义。其中，`sca_module`作为AMS扩展的核心建模单元，支持与标准SystemC模块的混合使用。（4）模型接口与求解器接口：定义了AMS模型与数值求解器之间的接口规范，这为不同求解算法（如可变步长积分器、刚性系统求解器）的接入提供了标准化的机制。（5）仿真调度语义：规定了AMS模型在SystemC仿真内核中的调度顺序、同步时序和数据交换规则，确保不同工具实现之间的仿真结果具有一致性。3.2关键语言构件3.2.1基于模块与端口SystemCAMS引入了一系列以`sca_`前缀标识的语言构件，以区别于标准SystemC构件。核心的建模单元包括：-sca_module：AMS扩展模块的基类，可在其中声明AMS端口、信号和内部行为；-sca_port和sca_signal：AMS专用的端口和信号类型，支持连续时间信号和离散事件信号的交互；-sca_tdf：采样数据流（TimedDataFlow）建模域，支持多速率采样系统的描述。3.2.2求解器与数值方法标准定义了针对不同模型类别的求解器需求，包括用于ELN模型的改进节点分析法（MNA）求解器、用于LSF模型的线性系统求解器以及用于SDS模型的差分方程求解器。IEC61691-8:2021进一步明确了求解器的动态选择机制，允许在仿真过程中根据模型特性自适应地调整数值积分算法。3.2.3同步机制AMS模型与数字模型之间的同步是混合仿真的关键。标准定义了时间同步点、数据转换接口（如D/A和A/D转换模型）以及事件通知机制，确保两类仿真域之间的数据一致性和时序正确性。3.3标准的修订与改进内容相较于早期的SystemCAMS规范版本（如IEC61691-7:2020所涵盖的版本），IEC61691-8:2021在以下方面进行了重要的技术修订：-增强的线性信号流（LSF）支持：扩展了LSF模型对非零初始条件、传递函数参数化和多个独立信号源组合的描述能力，更好地满足了射频前端和模拟基带建模的实际需求。-改进的电气网络求解性能：针对大规模ELN网络的仿真效率问题，标准引入了改进的模型降阶指导原则和稀疏矩阵处理建议，优化了非线性器件的收敛策略。-更完善的端口类型层次：扩展了端口类型的层次化组织方式，支持更为灵活的多速率和多域连接配置，提高了模型的复用性和可组合性。-Python接口支持：新增了基于Python语言的编程接口规范，使得SystemCAMS模型可以与Python生态中的数据分析、机器学习等工具无缝集成，为智能化设计方法开辟了新的可能性。四、主要起草与编制单位IEC61691-8:2021的制定工作凝聚了国际EDA产业界、学术界和标准化组织的集体智慧。该标准是由国际电工委员会下设的自动化和工业IT技术委员会负责管理，并依托IEEE1663.1工作组的专业技术力量完成核心内容的制定。在本标准的起草和编制过程中，AccelleraSystemsInitiative（以下简称“Accellera”）作为全球最具影响力的电子设计自动化标准制定组织，发挥了核心的牵头和组织作用。Accellera的前身可追溯至1991年成立的OpenVerilogInternational和1996年成立的VirtualSocketInterfaceAlliance，2009年两家组织合并为Accellera。该组织汇集了全球顶尖的半导体公司、EDA工具供应商、IP提供商和学术机构，是SystemC及其AMS扩展语言规范的技术源头。Accellera下设的SystemCAMS工作组（SystemCAMSWorkingGroup）具体承担了语言规范的开发与维护工作。该工作组汇集了来自意法半导体(STMicroelectronics)、英飞凌科技(InfineonTechnologies)、恩智浦半导体(NXPSemiconductors)、博世(Bosch)、Cadence、Synopsys、MentorGraphics（现为SiemensEDA）等国际知名企业的资深技术专家，以及多所研究机构的学者。工作组的核心使命包括：定义和精化SystemCAMS语言的功能需求，开发和维护语言参考手册，开发参考实现以验证语言规范的可行性，并推动规范向IEC和IEEE等国际标准组织转化。在IEC61691-8:2021的制定过程中，Fraunhofer集成电路研究所（FraunhoferIIS）和其下属的EDA部门在技术研究中发挥了重要作用。该研究所长期从事系统级设计与验证方法的研究，在混合信号系统建模、仿真算法和形式化验证等方面积累了丰富的成果。此外，德国亚琛工业大学（RWTHAachenUniversity）等学术机构的参与为标准提供了坚实的理论支撑，特别是在计算模型的形式化语义定义方面具有重要的学术贡献。五、标准应用价值分析5.1提升混合信号系统设计效率IEC61691-8:2021所确立的SystemCAMS语言规范，为混合信号系统的系统级设计提供了统一的技术平台。通过该标准，设计团队能够在系统架构阶段即可对包含数字、模拟和软件部分的完整系统进行虚拟原型验证，从而在设计早期发现架构缺陷和接口问题，避免在流片后反复改版带来的高昂成本。在实际的工业应用中，采用SystemCAMS进行系统级建模与验证，通常可将混合信号系统的设计验证周期缩短30%至50%。5.2促进EDA工具链生态完善标准的正式发布为EDA工具供应商提供了明确的技术规范，降低了商业工具实现SystemCAMS支持的风险和不确定性。目前，主流的EDA工具（包括Cadence的Xcelium、SiemensEDA的Questa等）均已提供了对SystemCAMS不同程度的支持。标准的建立还促进了开源生态的发展，标准所附的参考实现为学术界和中小型设计团队提供了低成本的技术入口，推动了设计方法学的创新和扩散。5.3支撑新兴应用领域发展在人工智能芯片、5G/6G通信、智能传感器、汽车雷达和生物医疗电子等新兴领域，模拟与数字深度耦合的异构系统已成为主流形态。IEC61691-8:2021的标准化，为这些领域的设计工具链和方法论提供了统一的技术底座。特别是在汽车电子领域，ISO26262等功能安全标准对设计验证的规范性提出了严格要求，SystemCAMS标准化语言为满足这些要求提供了可追溯、可复用的建模框架。六、未来发展趋势与展望6.1与机器学习技术的深度融合6.2多学科协同仿真的扩展面向未来更加复杂的系统设计需求，SystemCAMS标准化语言有望进一步扩展到多物理域协同建模的范畴，即不仅支持电气域的模拟/混合信号建模，还可与热力学、微机电系统（MEMS）、光电子等物理域的建模标准进行协同仿真。这一趋势将推动IEC61691-8标准与更广泛的系统建模标准（如SysML）之间的集成和互操作。6.3标准化体系的持续演进随着新一代通信技术（如6G）、量子计算等前沿领域的发展，对混合信号系统的建模语言将不断提出新的需求。可以预见，IEC61691系列标准将持续演进，在保持向后兼容性的前提下，不断扩展语言的功能边界，以满足日益多样化的应用需求。七、结论IEC61691-8:2021《行为语言第8部分：标准SystemC模拟/混合信号扩展语言参考手册》的正式发布，是电子设计自动化标准化进程中的一个重要里程碑。该标准以国际标准的权威形式，确立了SystemCAMS语言在模拟/混合信号系统级建模领域的技术规范地位，为全球集成电路设计产业提供了统一的语言基础。总结而言，IEC61691-8:2021具有以下核心价值：第一，它填补了模拟/混合信号系统级建模语言在国际标准化层面的空白，完善了从系统级到晶体管级的全层次设计语言标准链条；第二，它有效促进和改善了长期以来模拟与数字设计域割裂的现状，为统一的异构系统设计验证方法论提供了坚实的