GEM5与SystemC混合仿真的实现

1 简介

目前SystemC越来越受到芯片设计公司重视，在架构探索，架构验证阶段，其有着快速迭代、软硬件设计依赖小的优点。特别是在SoC架构设计中，多家设计公司都在使用SystemC进行建模仿真。SoC离不开CPU，但是目前普遍使用的ARM，除了FastModule（功能仿真，多数用来进行软件调试）外，并没有特别好的CPU模型（Tensilica提供CPU SystemC Module）。目前有多个OpenSource的CPU模拟器，用来进行软件调试或架构分析。
GEM5提供了Atomic、Timing、InOrder、OutOfOrder等精度的CPU模型，并且支持ARM、X86…等多种核。若实现GEM5与SystemC的混合仿真，就能够解决SoC中CPU来源的问题，并且可以更具应用场景，配置为不同精度类型的CPU（如架构探索阶段，可以使用Timing模型；软件调试阶段，使用Atomic模型；架构验证阶段，使用InOrder或OutOfOrder模型）。

2 GEM5与SystemC仿真同步

GEM5基于离散事件驱动仿真推进，而SystemC通过Kernel的调度机制来实现仿真推进。目前GEM5中已经支持SystemC的同步，路径为gem5/utils/systemc，其实现了同步机制。

3 TLM对接

研究GEM5的目的是能够使用其实现的CPU，除此之外，都是基于SystemC实现的module，所以需要实现GEM5 CPU与SystemC module的对接，基于TLM实现。
参考mem/external_slave.cc中的StubSlavePort，设计GEM5 port与TLM的对接。

class sc_transactor :   public tlm::tlm_initiator_socket<>,
public tlm::tlm_bw_transport_if<>,
public ExternalSlave::Port

需要继承于ExternalSlave::Port，用于连接GEM5的CPU Port。同时，继承于tlm_initiator_socket，该Class的对象又是一个TLM Socket。



因为继承于ExternalSlave::Port，而其又继承于SlavePort，所以需要实现用于传递packet的方法：

/** The gem5 Port slave interface */
Tick recvAtomic(PacketPtr packet);
void recvFunctional(PacketPtr packet);
bool recvTimingReq(PacketPtr packet);
bool recvTimingSnoopResp(PacketPtr packet);
void recvRespRetry();
void recvFunctionalSnoop(PacketPtr packet);

3.1 recvAtomic

Tick recvAtomic(PacketPtr packet)

实现一个function级别的transaction的接收。该函数与TLM中的b_transaport对接，但是在slave端的b_transport实现中，不能使用wait（因为sendAtomic是GEM5环境下的调用，并不是SC环境，无法调用wait）。

3.2 recvFunction

void recvFunction(PacketPtr packet)

该方法用来在仿真开始前，load软件二进制代码到目标memory中。该函数与TLM中的transport_dbg对接，直接访问memory。

在0 ns，GEM system会把二进制代码load到memory中。仿真开始后，CPU会再从memory中fetch指令。

3.3 recvTimingReq

bool recvTimingReq(PacketPtr packet)

该方法用来发送timing级别的transaction，与TLM中的nb_transport_fw对接。

若前一个transaction还未收到END_REQ，那么当前的transaction就不能发送。会通过返回false告知GEM5不再发送新的请求，而是等待RetryReq。

3.4 recvTimingSnoopResp/recvFunctionalSnoop

因为GEM5只用来做CPU的模型，所以该snoop相关的接口都不需要实现，直接返回false。

3.5 recvRespRetry

void recvRespRetry()

在timing模式下，当返回一个resp给CPU时，若CPU无法立即接收，则会在能够接收的时候，通过调用recvRespRetry来通知slave再次返回resp。

在该方法中，通过调用sendTimingResp，再次返回resp。若返回值为true，则可以通过TLM的nb_transport_bw返回END_RESP phase给Slave。

3.6 nb_transport_bw

该方法是tlm_initiator_socket的方法，用来接收Slave返回的transaction（END_REQ、BEGIN_RESP）。

若返回的是END_REQ，则根据是否有一个新的Req被pending着来决定通知GEM5再次发送packet。（通过调用sendRetryReq来通知）

若返回的是BEGIN_RESP，则通过调用sendTimingResp来返回resp给GEM5。若GEM5返回false，表示其不能接收resp，则需要retry；若返回的是true，则表示GEM5能够接收该resp，则会返回slave END_RESP，用来终结一次transaction的全部握手。

4 Reference

[1] Coupling gem5 with IEEE1666 SystemC TLM2.0, Dipl.-Ing. Matthias Jung, Dienstag, 4.August 2015

[2] gem5_hipeac.pdf, Ali Saidi, Andreas Hansson