Introduction à SystemC

Les canaux de communication

Tarik Graba

2020-2021

Au-delà des simples signaux

Interface et canal

En SystemC on peut définir des canaux de communication complexes.

L’interface de ces canaux est séparée de la définition de leur comportement pour permettre de faire évoluer les canaux de communication sans modifier ce qui se trouve des deux cotés du canal.

La séparation entre la définition de l’interface et son comportement se fait en utilisant le concept d’interfaces de la programmation orientée objet.

On définit dans l’interface la liste des méthodes (fonctions) que doit implémenter le canal
On implémente dans le canal les méthodes de l’interface.

En C++, le concept d’interface utilise ce qu’on appelle des classes abstraites (virtuelles pures).

Exemple

Comment définir des interfaces en C++ ?

#include <iostream>
using namespace std;

class MyInterface {
public:
   // "=0" veut dire implémentation obligatoire
   virtual void hello()   = 0;
};

class SimpleImpl : virtual public MyInterface {
public:
   virtual void hello() override
   {
      cout << "Hi" << endl;
   }
};

class CplxImpl : virtual public MyInterface {
public:
   virtual void hello() override
   {
      cout <<  "Hi " << message << endl;
   }
   CplxImpl(string s): message(s) {}

private:
   const string message;
};

int main()
{
   // MyInterface   x; // ceci est une erreur car la classe est abstraite

   MyInterface * o[2];

   o[0] =  new SimpleImpl();
   o[1] =  new CplxImpl("folks");

   for (int i=0; i<2; i++)
      o[i]->hello();

   return 0;
}

Pour garder l’isolation entre les éléments d’une hiérarchie, les ports doivent permettre de rendre accessible les méthodes des interfaces dans un module.

Pour avoir un minimum d’interopérabilité, SystemC définit plusieurs types :

sc_interface.
sc_prim_channel
sc_port

`sc_interface`

Définit le minimum de méthodes à implémenter pour fonctionner avec le simulateur :

comment enregistrer un port connecté à l’interface et
l’évènement par défaut.

Toute interface doit hériter de ce type pour pouvoir s’intégrer dans une simulation.

`sc_prim_channel`

Définit en plus les méthodes permettant l’interaction avec le moteur de simulation :

affectation différée et mise à jour,
attente (par exemple wait()…)

`sc_port`

Permet de déclarer un port pour une interface particulière. C’est une classe template dont l’un des paramètres est l’interface utilisée. Les autres paramètres correspondent au nombre de canaux qu’on peut y connecter (par défaut exactement 1).

Exemple d’utilisation

Prenons le temps de regarder le code de l’exemple.

#include <systemc.h>

// Une interface pour l'écriture
class tag_write_if : virtual public sc_interface
{
   public:
      virtual void write(sc_uint<8> i) =0;
};

// Une interface pour la lecture
class tag_read_if : virtual public sc_interface
{
   public:
      virtual sc_uint<16> read() =0;
};

// notre canal personnalisé, implémente les deux interfaces
// ce canal est semblable au sc_signal avec:
//    - des données de taille fixe
//    - un tag ajouté pour chaque nouvelle donnée
class tagged_bus : public tag_write_if, public tag_read_if, public sc_prim_channel
{
   sc_uint<8> tag;
   sc_uint<8> cur_d, new_d;
   sc_event   m_ev;

   public:
   SC_CTOR(tagged_bus) {
      tag   = 0;
      cur_d = 0;
      new_d = 0;
   }
   // dans tag_write_if
   virtual void write(sc_uint<8> i) {
      new_d = i;
      // on demande à ce qu'update soit appelé
      request_update();
   }
   // dans tag_read_if
   virtual sc_uint<16> read() {
      return (tag,cur_d);
   }
   // dans sc_interface
   virtual const sc_event& default_event() const {
      return m_ev;
   }
   // dans sc_prim_channel
   virtual void update() {
      if (cur_d != new_d) {
         cur_d = new_d;
         tag++;
         m_ev.notify(SC_ZERO_TIME);
      }
   }
};

SC_MODULE(W) {
   // un port en sortie n'implémente que l'interface d'écriture
   sc_port<tag_write_if> p_o;

   SC_CTOR(W) {
      SC_THREAD(loop);
   }
   void loop () {
      sc_uint<8> v = 1;
      while(v) {
         // on appelle la méthode write de l'interface
         p_o->write(v);
         v = v<<1;
         wait(10, SC_NS);
      }
   }
};

SC_MODULE(R) {
   // un port en entrée n'implémente que l'interface de lecture
   sc_port<tag_read_if> p_i;

   SC_CTOR(R) {
      SC_METHOD(loop);
      // Utilise le default_event
      sensitive << p_i;
   }
   void loop () {
      // on appelle la méthode read de l'interface
      sc_uint<16> t = p_i->read();
      cout << name() <<" --> tag: " << t(15,8) << " val: " << sc_bv<8>(t(7,0))<< endl;
   }
};

int sc_main(int argc, char * argv[])
{

   tagged_bus b("t_bus");

   W w("writer");
   w.p_o(b);

   R r("reader");
   r.p_i(b);

   sc_start();

   return 0;
}

Et pour les `sc_signal`

Les sc_signal utilisent ces mêmes notions d’interfaces et canaux et de ports.

L’interface

Pour les signaux les deux interfaces suivantes sont définies :

sc_signal_in_if<T> : interface en lecture
sc_signal_inout_if<T> : interface en écriture

Ces deux interfaces sont définies comme des classes template, où le template T est le type des données transporté.

sc_signal_in_if<T> : définit la méthode read() ainsi que les méthodes renvoyant les évènements.
sc_signal_inout_if<T> : la complète en ajoutant entre autres la méthode write()

Des spécialisations de ces interfaces existent pour les types bool et sc_logic. Elles ajoutent ce qu’il faut pour les évènements sur front.

Les ports `sc_in`, `sc_out`

Un sc_in est équivalent à un sc_port<sc_signal_in_if<T>,1>
Un sc_out et un sc_inout sont équivalents à un sc_port<sc_signal_inout_if<T>,1>

Ces ports spécialisés ajoutent des surcharges d’opérateurs pour permettre simplement d’écrire et de lire dans le signal. Aussi, on ne peut y connecter qu’un seul signal.

Le `sc_signal`

Est défini comme :

template <class T,
          sc_writer_policy WRITER_POLICY = SC_ONE_WRITER>
class sc_signal
: public sc_signal_inout_if<T>, public sc_prim_channel
  { ... };

T est le type transporté
WRITER_POLICY détermine le comportement du sc_signal s’il est modifié par plusieurs processus. Par défaut, c’est interdit.

Des canaux standards

En plus des sc_signal, dans la bibliothèque, un certain nombre de canaux standards sont définis.

Les `sc_buffer<T>`

Un sc_buffer est équivalent à un sc_signal et implémente la même interface.

La seule différence, vient du fait que pour un sc_buffer il y a un évènement notifié à chaque écriture alors que pour un sc_signa il faut que la valeur change.

Travail à faire :

Écrire un exemple de code mettant en évidence la différence de comportement entre sc_signal et sc_buffer

Les `sc_fifo<T>`

Permet d’instances des fifos dont la taille est définie à l’instanciation.

Elles implémentent les interfaces :

sc_fifo_in_if<T>
sc_fifo_out_if<T>

Des ports spéciaux sont aussi prévus :

sc_fifo_in
sc_fifo_out

L’interface sc_fifo_in_if<T> fournit :

bool nb_read(&T) : lecture non bloquante qui renvoie true si elle réussit.
void read(&T) et T read() : lecture bloquante (appelle wait() si la fifo est vide).
int num_available() : qui renvoie le nombre d’éléments disponibles dans la fifo.
sc_event& data_written_event() : renvoie une référence vers évènement notifié en cas d’écriture.

L’interface sc_fifo_out_if<T> fournit :

bool nb_write(&T) : écriture non bloquante qui renvoie true si elle réussit.
void write(&T) : écriture bloquante (appelle wait() si la fifo est pleine)
int num_free() : renvoie le nombre d’éléments pouvant être écrits dans la fifo.
sc_event & data_read_event() : une référence vers un évènement notifié en cas de lecture.

Attention comme les méthodes bloquantes de lecture et d’écriture font appel à wait() pour suspendre le processus qui les appelle, il faut donc prendre des précautions quand on les utilise dans des SC_METHOD.

Le constructeur d’une sc_fifo<T> prend en argument la taille de la fifo. La taille par défaut est de 16. De plus l’opérateur d’affectation a été surchargé pour appeler les méthodes bloquantes de lecture et d’écriture.

Exemple :

   // une fifo de 16 éléments
   sc_fifo<int> A;
   // une fifo de 32 éléments
   sc_fifo<int> B(32);

   // deux écritures bloquantes
   A.write(1);
   B = 1;

   // deux lectures bloquantes
   int x;
   x = A;
   x = B.read();

Exemple plus complet :

#include <systemc.h>
SC_MODULE(A) {
   sc_fifo_out<int> out;
   void loop() {
      int i = 0;
      for(;;){
         // write est obligatoire
         out.write(i);
         i++;
         wait(33, SC_NS);
      }
   }
   SC_CTOR(A) { SC_THREAD(loop); }
};
SC_MODULE(B) {
   sc_fifo_in<int> in;
   void loop() {
      wait(300, SC_NS);
      for(;;){
         // in.read() appelle in->read()
         cout << "Lecture 1 : " << in->read() << "@ " << sc_time_stamp() << endl;
         cout << "Lecture 2 : " << in.read()  << "@ " << sc_time_stamp() << endl;
         wait(55, SC_NS);
      }
   }
   SC_CTOR(B) { SC_THREAD(loop); }
};

int sc_main(int, char **) {
   // une fifo de 10 entiers
   sc_fifo<int> fifo(10);

   A a("modA");
   a.out(fifo);

   B b("modB");
   b.in(fifo);

   sc_start(300,SC_NS);
   cout 
      << "contenu de la fifo @" << sc_time_stamp() << endl
      << fifo << endl;

   sc_start(1,SC_US);
   cout 
      << "contenu de la fifo @" << sc_time_stamp() << endl
      << fifo << endl;

   return 0;
}

Travail à faire :

Écrire le code de deux modules s’échangeant des Pixels à travers une fifo. Les modules devront fonctionner à des cadences différentes tout en étant synchrones à une horloge clk générée au niveau supérieur. Par exemple :

Producteur : envoie, une à une, 100 données en attendant un cycle entre chaque envoie puis s’arrête pendant un nombre aléatoire de cycles compris entre 0 et 32.
Consommateur : lit une donnée puis attend 2 cycles si la somme des composantes du pixel lu est paire ou 3 cycles elle est impaire.
Observez le comportement pour différentes profondeurs de fifo.

Faites deux implémentations du producteur, l’une utilisant des SC_THREAD ou SC_CTHREAD et l’autre utilisant des SC_METHOD.

Les `sc_mutex` et `sc_semaphore`

La bibliothèque définit d’autres canaux standards permettant la synchronisation de SC_THREAD pour l’accès à des ressources partagées.

Le sc_mutex fournit les méthodes :

int lock() : pour verrouiller le mutex. S’il est déjà verrouillé, on est mis en attente (wait() est appelé). Cette méthode renvoie toujours 0.
int trylock() : pour essayer verrouiller le mutex. Cette méthode renvoie 0 en cas de succès, -1 sinon.
int unlock() : pour libérer le mutex. Cette méthode renvoie 0 en cas de succès, -1 sinon (i.e. le mutex n’est pas verrouillé ou il appartient à un autre thread).

Le sc_semaphore prend en argument de constructeur le nombre de sémaphores qu’on peut prendre. Si ce nombre est égal à un, son comportement est équivalent à un sc_mutex.

Le sc_semaphore fournit les méthodes :

int wait() : si le nombre de sémaphores restants est supérieur à 0, le décrémenter et retourner, sinon, le processus est suspendu (wait()) Cette méthode renvoie toujours 0.
int trywait() : si le nombre de sémaphores restants est supérieur à 0, le décrémenter et retourner 0, sinon, retourne -1.
int post() : incrémente le nombre de sémaphores. Cette méthode renvoie toujours 0.
int get_value() : renvoie le nombre de sémaphores disponibles.

Travail à faire :

Écrire le code d’un module dans lequel deux SC_THREAD concurrents s’exécutent à tour de rôle en utilisant un sc_mutex.

Un sc_mutex suffirait-il si on avait trois processus ?

`sc_channel`

SystemC définit la notion de canal hiérarchique. Un canal hiérarchique n’est en réalité qu’un sc_module qui, en utilisant entre autres des sc_export, peut se présenter comme un canal de communication complexe.

On peut donc y trouver des processus et modéliser les comportements du canal de communication.

Pour définir explicitement un canal hiérarchique on utilisera la classe sc_channel qui n’est qu’un alias de la classe sc_module.

Travail à faire :

En utilisant la classe sc_channel écrire le code d’un générateur d’horloge. Ce canal contiendra un sc_signal qui pourra être connecté à l’entrée d’un module de test à travers un sc_export.

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Au-delà des simples signaux

Interface et canal

sc_interface

sc_prim_channel

sc_port

Exemple d’utilisation

Et pour les sc_signal

L’interface

Les ports sc_in, sc_out

Le sc_signal

Des canaux standards

Les sc_buffer<T>

Les sc_fifo<T>

Les sc_mutex et sc_semaphore

sc_channel

`sc_interface`

`sc_prim_channel`

`sc_port`

Et pour les `sc_signal`

Les ports `sc_in`, `sc_out`

Le `sc_signal`

Les `sc_buffer<T>`

Les `sc_fifo<T>`

Les `sc_mutex` et `sc_semaphore`

`sc_channel`