SystemC Modules and Processes(2)

階層架構(Hierarchy)
一個EXOR閘是由4個NAND閘(instance)組成。要達成這個目的，是在EXOR閘的建構式裏去連結實體化的NAND閘。
底下列出EXOR閘的範例程式：

#include "systemc.h"
#include "nand2.h"
SC_MODULE(exor2)
{
  sc_in<bool> A, B;
  sc_out<bool> F;

  nand2 n1, n2, n3, n4;

  sc_signal<bool> S1, S2, S3;

  SC_CTOR(exor2) : n1("N1"), n2("N2"), n3("N3"), n4("N4")
  {
    n1.A(A);
    n1.B(B);
    n1.F(S1);

    n2.A(A);
    n2.B(S1);
    n2.F(S2);

    n3.A(S1);
    n3.B(B);
    n3.F(S3);

    n4.A(S2);
    n4.B(S3);
    n4.F(F);
  }
};

程式說明：
這個程式看起來跟NAND閘的程式很像，但注意它有去include nand2.h的檔案，這是為了去使用NAND閘模組所必需的。

這個exor2模組被建立起來，並宣告這個模組的ports。請再注意一下，設計上是可以重複使用A,B及F的名字，因為它跟nand的層級是不同的。

在電路圖中你可以看到有許多的線用以連結每個NAND閘。而在SystemC裏線的表現方式則是用sc_signal S1,S2及S3。
sc_signal是一個類別(class)，它包含了樣版參數(template parameter)用以定義資料的型態，在這個例子中是使用bool的資料型態。
sc_signal是一個SystemC內建的通道(primitive channel)類別，內建的通道當然在SystemC class library裏。它的行為就如同VHDL裏的signal。

EXOR閘的建構式會比NAND閘再複雜一點，它必需實體化4個nand2來用。在port的定義之後，緊接著宣告實體化4個nand2:n1,n2,n3,n4。
每個實體化的nand2都必需要有個名字，所以我們在exor2建構式初使化時傳了4個"N1","N2","N3","N4"的名字，分別給n1,n2,n3,n4這4個nand2。

最後，將所有的ports所需要的連接線接起來。這樣子就完成了這個建構式了。

測試程式(Test bench)
要測試這個設計，當然就需要測試訊號的產生程式。這就必需要再寫另一個module，跟前面寫的module很類似。
但比較不同的是，在這裏我們是使用執行緒(thread)SC_THREAD，這個行程會在需要時進入休眠狀態。
底下列出這個Test bench的範例程式stim.h

#include "systemc.h"
SC_MODULE(stim)
{
  sc_out<bool> A, B;
  sc_in<bool> Clk;

  void StimGen()
  {
    A.write(false);
    B.write(false);
    wait();
    A.write(false);
    B.write(true);
    wait();
    A.write(true);
    B.write(false);
    wait();
    A.write(true);
    B.write(true);
    wait();
    sc_stop();
  }
  SC_CTOR(stim)
  {
    SC_THREAD(StimGen);
    sensitive << Clk.pos();
  }
};

程式說明：
這裏要注意的是最後它們呼叫sc_stop()，這個函式會讓整個模擬結束。

有了訊號產生程式後，我們還需要一個監控程式，用來監控我們想看到的訊號改變情況，這個程式相當簡單，我們先忽略這個部份，在這個範例裏監控程式檔名是mon.h。

底下列出top level的程式碼，它是寫在main.cpp裏，當然main.cpp必需include之前所寫的那些子模組(submodules)

#include "systemc.h"
#include "stim.h"
#include "exor2.h"
#include "mon.h"

int sc_main(int argc, char* argv[])
{
  sc_signal<bool> ASig, BSig, FSig;
  sc_clock TestClk("TestClock", 10, SC_NS,0.5);

  stim Stim1("Stimulus");
  Stim1.A(ASig);
  Stim1.B(BSig);
  Stim1.Clk(TestClk);

  exor2 DUT("exor2");
  DUT.A(ASig);
  DUT.B(BSig);
  DUT.F(FSig);

  mon Monitor1("Monitor");
  Monitor1.A(ASig);
  Monitor1.B(BSig);
  Monitor1.F(FSig);
  Monitor1.Clk(TestClk);

  sc_start();  // run forever

  return 0;

}

程式說明：
在top-level裏 signal被宣告成線(wire)來使用，時脈的產生則是用sc_clock；然後把所需要的模組都實體化必加以連結起來。

都做完後，必需呼叫sc_start()來啟動模擬，模擬會一直持續執行，一直到有人呼叫了sc_stop()後結束模擬。

底下列出輸出結果的範例：

       Time A B F
       0 s 0 0 1
     10 ns 0 0 0
     20 ns 0 1 1
     30 ns 1 0 1
     40 ns 1 1 0

如果你有注意看輸出結果，你應該會發生很詭異的事情，在第一行time 0s時，當時的A,B輸入為0，而F的輸出結為為1，這不應該是EXOR閘的正常輸出結果。
但在10ns之後，所有的結果都是對的了。在time 0s時到底發生了什麼事情了呢？

模擬(Simulation)
在SystemC library裏包含了一個模擬核心(simulation kernel)。它決定了那個行程(software threads)要被執行。
在time 0s時，所有的SC_METHOD及SC_THREAD將會隨機的被叫起來執行，一直到它們全都進入休眠(suppend)結束一個cycle。
SC_CTHREAD則是會在時脈一發生時就被執行。

上面的情況是由於組合電路的情況造成的

1. sc_clock在時間time 0s會發生的上升緣(rising edge )，因此所有的monitor及stimulus行程在此時都會執行(在這種情況下，並不知道誰會先被執行)


2. 在C++裏的變數並不見得都會被付與初使值(除非它們被宣告為靜態變數static)，因此才會造成F在time 0s時會出現1的情況


3. do_nand2 SC_METHOD在time 0s執行，而排程器也會去對F做更新，但是F是一個signal，它的內容並不能馬上被更新，因此當monitor在處理時，F的內容還會為1

在這個範例裏，改善的方式，可以去修改sc_clock讓它產生在第1個clock產生後延遲，如下：

sc_clock TestClk("TestClock", 10, SC_NS,0.5, 1, SC_NS);

加入的1, SC_NS兩個參數，定義了在第一個時脈發生後延遲1 ns，這會讓F的內容得以更新。
底下列出修改過後的執行結果：

       Time A B F
      1 ns 0 0 0
     11 ns 0 0 0
     21 ns 0 1 1
     31 ns 1 0 1
     41 ns 1 1 0

現在你可以看到F的輸出結果都是正確的了。

結論
結束這篇快速瀏覽modules及process，你已經看到了SystemC模擬核心及內建的sc_signal通道的重要性。
你也看到了一些基本實體化低階模組的範例，它包含了一個top-level模組，以及sc_main是如何被使用的。

資料來源：
http://www.doulos.com/knowhow/systemc/tutorial/modules_and_processes/