基于UML&SystemC的GPU片段處理TLM建模

姜麗云，田 澤,2，吳曉成，張 駿,2

(1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán) 西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著集成電路設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展，集成電路的規(guī)模及復(fù)雜程度成倍增加。圖形處理器需要在RTL設(shè)計(jì)之前快速地對(duì)硬件架構(gòu)和軟件算法進(jìn)行驗(yàn)證，要支持更高的仿真速度、支持時(shí)序和行為分開建模和軟硬件混合建模、支持從系統(tǒng)到門級(jí)無(wú)縫過(guò)渡及系統(tǒng)性能分析。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中使用C、C++語(yǔ)言描述系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用硬件描述語(yǔ)言(HDL)描述寄存器傳輸級(jí)(RTL)設(shè)計(jì)無(wú)法滿足這些要求，因此能夠快速完成對(duì)硬件結(jié)構(gòu)和功能驗(yàn)證的事務(wù)級(jí)建模(transaction-level modeling，TLM)勢(shì)在必行。TLM模型既能充分地掌握各種系統(tǒng)需求和約束，又能基于模擬的方法或形式化方法進(jìn)行系統(tǒng)功能的驗(yàn)證，從而在設(shè)計(jì)早期排除了各種錯(cuò)誤的可能[1]。

GPU片段處理單元(ROU)位于GPU渲染管線的末尾[2]，如圖1所示。片段處理是片段在寫入幀緩存之前所要進(jìn)行的最后操作，選擇要寫入幀緩存中的片段以及根據(jù)條件改變幀緩存中的值。片段處理單元ROU執(zhí)行OpenGL2.0所規(guī)定的片段操作，包括測(cè)試(裁剪測(cè)試、Apha測(cè)試、深度測(cè)試、模板測(cè)試)、混合、屏蔽、邏輯等操作，以及針對(duì)緩沖區(qū)的清除操作和累積操作。

圖1 片段處理單元在OpenGL渲染管線中的位置

文中聯(lián)合使用統(tǒng)一描述語(yǔ)言UML和SystemC語(yǔ)言在事務(wù)級(jí)對(duì)GPU片段處理單元進(jìn)行建模研究，采用這種建模方法既可以快速地驗(yàn)證架構(gòu)和算法設(shè)計(jì)中的不足和錯(cuò)誤之處，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間和成本，又可以作為基礎(chǔ)模型支持新一代產(chǎn)品的研發(fā)，同時(shí)，可以對(duì)模型進(jìn)行量化評(píng)估，作為模型約束的參考項(xiàng)[3]，有利于對(duì)結(jié)構(gòu)快速分析，利于架構(gòu)設(shè)計(jì)師對(duì)其修改和優(yōu)化[4]，最后通過(guò)模型仿真結(jié)果驗(yàn)證算法和架構(gòu)的正確性。

1 基于UML的ROU單元系統(tǒng)分析和視圖建模

UML作為一種可視化的建模語(yǔ)言，具有概念明確、圖形結(jié)構(gòu)清晰和面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)，支持各個(gè)級(jí)別的抽象綜合。在描述復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，它具有定義良好、易于表達(dá)并支持各個(gè)級(jí)別的有利于開發(fā)者快速的確定需求，對(duì)方案的有效性和可行性進(jìn)行評(píng)估，衡量各種可選方案的利弊，對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行敏捷的思考。UML使用了9種模型圖來(lái)對(duì)面向?qū)ο蟮能浖到y(tǒng)進(jìn)行建模[5]，滿足了對(duì)靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行建模的需求，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)SoC設(shè)計(jì)方法的不足。文中搭建ROU單元的UML視圖模型，開發(fā)過(guò)程系統(tǒng)的建模行為為驅(qū)動(dòng)，按照建模的不同階段，根據(jù)顆粒度從大到小將單元的架構(gòu)和算法逐層梳理。以下以用例圖、類圖、結(jié)構(gòu)圖和行為圖為例，描述GPU片段處理單元UML建模的過(guò)程。

1.1 用例圖

用例圖用于在需求分析階段從用戶的視角來(lái)描述和建模整個(gè)系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)中參與者、用例以及它們之間的關(guān)聯(lián)、依賴、泛化等關(guān)系。ROU單元的用例圖如圖2所示。

圖2 片段處理單元用例圖

其中，ROU單元參與者有PCIE單元、輸出控制單元(OCU)和參數(shù)管理單元(SGU)。與PCIE單元關(guān)聯(lián)的用例有讀、寫ROU單元體系結(jié)構(gòu)寄存器；與OCU單元關(guān)聯(lián)的用例有查詢ROU單元Ready服務(wù)和輸入片段數(shù)據(jù)到ROU單元；與SGU單元關(guān)聯(lián)的用例有下發(fā)圖形功能命令到ROU單元及狀態(tài)查詢服務(wù)等。

1.2 類 圖

類圖描述了構(gòu)成軟件系統(tǒng)的類、接口、子類以及它們之間的關(guān)系，是構(gòu)建其他視圖的基礎(chǔ)，在后面的模型設(shè)計(jì)中就是通過(guò)編程語(yǔ)言構(gòu)建這些類從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。ROU類關(guān)聯(lián)于SystemC庫(kù)中的sc_module類，繼承了sc_module關(guān)聯(lián)的所有公共屬性及操作；與ROU單元有依賴關(guān)系的模塊包括OCU單元、SGU單元、PCIE單元。接口提供了一組只有名稱的純虛函數(shù)，本質(zhì)是一個(gè)使用C++語(yǔ)法定義的抽象類。ROU單元類實(shí)現(xiàn)了Ocu2RouPixelIf、PCIeBackendRegIf和SguGraphFunIf接口中提供的方法，內(nèi)部通過(guò)端口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)外的連接，端口調(diào)用接口中的方法。具體的調(diào)用關(guān)系及方法定義如圖3所示。

圖3 片段處理單元類圖

1.3 結(jié)構(gòu)圖

ROU單元作為一個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)體，是用來(lái)細(xì)化設(shè)計(jì)的基本塊，內(nèi)部使用進(jìn)程來(lái)劃分不同執(zhí)行階段。ROU單元接收來(lái)OCU單元輸出的片段數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在內(nèi)部的fragmentFifo，經(jīng)過(guò)片段處理進(jìn)程Fragment_Process_Thread()處理后輸出到顏色緩沖區(qū)(PCache)和深度緩沖區(qū)(ZCache)。ROU單元還實(shí)現(xiàn)接收來(lái)自SGU單元的功能碼，由功能碼處理進(jìn)程Function_Code_Thread()處理來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的累積、遮擋查詢、清除緩沖區(qū)等功能，模塊間使用端口傳遞數(shù)據(jù)，ROU模塊的結(jié)構(gòu)圖及模塊間互聯(lián)關(guān)系如圖4所示。

圖4 片段處理單元靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖

1.4 行為圖

行為圖用來(lái)描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型和對(duì)象之間的交互關(guān)系，描述了內(nèi)部進(jìn)程的具體執(zhí)行流程。片段處理進(jìn)程Fragment_Process_Thread()實(shí)現(xiàn)了在片段數(shù)據(jù)實(shí)際存儲(chǔ)到幀緩沖區(qū)之前進(jìn)行的各種測(cè)試，包括裁剪測(cè)試、alpha測(cè)試、模板測(cè)試、深度測(cè)試；隨后，將要執(zhí)行混合操作，邏輯操作及單色擴(kuò)展操作；最后執(zhí)行掩碼的屏蔽操作后將片段輸出到深度緩沖區(qū)和顏色緩沖區(qū)，如圖5所示。

圖5 片段處理進(jìn)程行為圖

功能碼處理進(jìn)程Function_Code_Thread()處理來(lái)自SGU單元的功能碼，實(shí)現(xiàn)了清除緩沖區(qū)、累積操作、遮擋查詢[6]等指定的功能，ROU單元執(zhí)行的功能碼如表1所示。

表1 片段處理單元執(zhí)行的功能碼

2 基于SystemC的ROU單元模型開發(fā)、仿真和驗(yàn)證

TLM模型建立在SystemC標(biāo)準(zhǔn)之上，包括SystemC核心語(yǔ)言、結(jié)構(gòu)化元素、預(yù)定義通道、數(shù)據(jù)類型等概念。SystemC的描述能力支持不同層次的抽象行為，向上可以描述系統(tǒng)級(jí)的算法模型，向下可以描述硬件電路的RTL級(jí)行為[7]。軟硬件工程師可以基于SystemC在同一個(gè)環(huán)境下同時(shí)描述軟硬件結(jié)構(gòu)和接口，將通信與功能分開，解決了傳統(tǒng)片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中不同級(jí)別使用不同描述語(yǔ)言帶來(lái)的過(guò)渡問(wèn)題，能提供更高設(shè)計(jì)效率[8]。

SystemC對(duì)標(biāo)準(zhǔn)C++進(jìn)行了擴(kuò)充，為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建模提供了硬件時(shí)序、并發(fā)等概念，體現(xiàn)在核語(yǔ)言的描述上，包括模塊(module)、端口(port)、接口(interface)、信道(channel)、進(jìn)程(process)、信號(hào)(signal)、事件(event)等；另一方面，SystemC支持8種可綜合的數(shù)據(jù)類型，包括二值信號(hào)(sc_bit)、位向量(sc_bv)、四值信號(hào)(sc_logic)、邏輯向量(sc_lv)、最多可達(dá)64位的有(無(wú))符號(hào)整型數(shù)(sc_int，sc_uint)和任意位寬的有(無(wú))符號(hào)整型數(shù)(sc_bigint，sc_biguint)，以及支持通用bool、int、unsigned int、long、short、enum和struct等C++數(shù)據(jù)類型。此外，SystemC還擁有許多更高層次上的建模特性，提供了用于軟硬件模塊連接的信息傳輸通道，用來(lái)對(duì)系統(tǒng)的抽象通信機(jī)制和同步機(jī)制建模，還擁有各種類庫(kù)，以支持特定設(shè)計(jì)領(lǐng)域的需要[9-10]。TLM模型層次結(jié)構(gòu)及SystemC語(yǔ)言結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 TLM模型層次結(jié)構(gòu)及SystemC語(yǔ)言結(jié)構(gòu)

2.1 模塊設(shè)計(jì)

模塊是SystemC設(shè)計(jì)的最基本單位，實(shí)際上就是一個(gè)有構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的類，類似于VHDL中的entity和verilog中的module。模塊使用C++的語(yǔ)法，可以方便地把復(fù)雜系統(tǒng)劃分為更小的塊，并且可以方便地隱藏內(nèi)部的數(shù)據(jù)和算法，只需要公開接口，以利于其他模塊的調(diào)用，是一個(gè)能夠包含其他的模塊與進(jìn)程的層次化實(shí)體。下面使用module來(lái)描述片段處理單元的框架結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)于UML中的結(jié)構(gòu)圖和類圖。

ROU單元module內(nèi)部包括ports(端口)、processes(進(jìn)程)、internal data(內(nèi)部信號(hào))和channels(通道)等部分[11]，其中ports用于模塊之間的通信；processes描述module的功能；internal data and channels用于管理module內(nèi)部的各種狀態(tài)，用于module內(nèi)部processes之間的通信。具體實(shí)現(xiàn)如下：

class G3D_ROU:public sc_module,

public Ocu2RouPixelIf,

public PcieBackendRegIf,

public SguGraphFunIf

{

public:

sc_in_clk clock; //時(shí)鐘

sc_port rou2SpmuPort;

sc_port rou2PCachePort;

……

//例化端口

sc_export rouArchRegExport;

sc_export sgu2RouGraphFunExport;

……

SC_HAS_PROCESS(G3D_ROU);

//片段處理進(jìn)程聲明

SC_HAS_PROCESS(Fragment_Process_Thread);

//功能碼處理進(jìn)程聲明

SC_HAS_PROCESS(Function_Code_Thread);

//構(gòu)造函數(shù)定義

G3D_ROU(sc_module_name _name, sc_trace_file *tf);

//構(gòu)造函數(shù)定義

virtual ～G3D_ROU();

……

private:

//內(nèi)部變量定義

ds_func_rou::S_Segment segment;

ds_func_rou::S_Rou_Register reg;

sc_uint<8> graphFunCode;

//內(nèi)部信號(hào)定義

sc_signalgraphFunCodeEn;

sc_signalfunCodeDone;

……

//FIFO定義

ds_arch_fifo::Fifo< WIDTH> *fragmentFifo;

//內(nèi)部進(jìn)程定義

voidFragment_Process_Thread();

voidFunction_Code_Thread();

//內(nèi)部方法定義

……}

在構(gòu)造函數(shù)G3D_ROU∷G3D_ROU():sc_module(_name)內(nèi)部，初始化成員變量：Ocu2RouPixelExport(*this); rouArchRegExport(*this);……

將定義的進(jìn)程注冊(cè)到仿真kernel中：

SC_THREAD(Fragment_Process_Thread);

sensitive_pos(clock);

SC_THREAD(Function_Code_Thread);

sensitive_pos(clock);

其中，敏感(sensitivity)與Verilog中的@類似，設(shè)置時(shí)鐘為敏感事件，敏感向量列表中的信號(hào)被觸發(fā)后，進(jìn)程將會(huì)被重新激活[12]。

2.2 進(jìn)程設(shè)計(jì)及算法實(shí)現(xiàn)

SystemC使用進(jìn)程對(duì)并行行為進(jìn)行建模，進(jìn)程作為一個(gè)基本執(zhí)行單位來(lái)仿真目標(biāo)系統(tǒng)的行為，實(shí)現(xiàn)模塊的算法細(xì)節(jié)，具有動(dòng)態(tài)性、并發(fā)性、獨(dú)立性、異步性和結(jié)構(gòu)性五大特征。進(jìn)程包括SC_METHOD、SC_THREAD和SC_CTHREAD三種，其中SC_METHOD用于描述方法進(jìn)程，是唯一可綜合的寄存區(qū)傳輸級(jí)進(jìn)程；SC_THREAD用于描述線程，線程能夠被掛起和重新激活；SC_CTHREAD用于描述鐘線程，時(shí)鐘線程能在時(shí)鐘的上升沿或者下降沿被觸發(fā)或者激活，能夠產(chǎn)生更好的行為綜合。

ROU單元定義了片段處理線程Fragment_Process_Thread()和功能碼處理線程Function_Code_Thread()，進(jìn)程使用wait()掛起，當(dāng)敏感表中有事件發(fā)生，進(jìn)程被重新激活運(yùn)行到遇到新的wait()語(yǔ)句再重新掛起。

以Fragment_Process_Thread()為例來(lái)描述建模的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)方法：

void G3D_ROU∷Fragment_Process_Thread()

{

wait();

segment=fragmentFifo->read();//讀FIFO

if(0x0 !=segment.tileMask)

{

……

segmen.scissor_test(reg);//scissor測(cè)試

segment.alpha_test(reg);//alpha測(cè)試

if(need_read_depth_buffer()==true)

{

Read_Depth_Buffer();

}

segment.depth_test(reg);//depth測(cè)試

segment.stencil_test(reg);//stencil測(cè)試

if(need_read_color_buffer()==true)

{

Read_Color_Buffer();

segment.Blend_Operation(reg);//混合操作

segment.Logic_Operation(reg);//邏輯操作

segment.Single_Color_Expand_Operation(reg);//單色擴(kuò)展操作

}

……

//更新深度/模板緩沖區(qū)

Write_Depth_Buffer();

//更新顏色緩沖區(qū)

Write_Color_Buffer();

}}

其中，以邏輯操作為例，具體描述算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：

void Logic_Operation(S_Rou_Register reg)

{

if(reg.logicOpEn)//判斷邏輯操作使能開關(guān)

{

for(pixelNum=0; pixelNum

//依次輪詢每個(gè)像素

{

//判斷邏輯操作類型

switch(reg.logicOperationFunc)

{

case ds_func_spmu::GL_CLEAR :

……

case ds_func_spmu::GL_COPY :

……

case ds_func_spmu::GL_XOR :

logic_ color_r[pixelNum]=src_r[pixelNum]^color_buf_r[pixelNum];

logic_ color_g[pixelNum]=src_g[pixelNum]^color_buf_g[pixelNum];

logic_ color_b[pixelNum]=src_b[pixelNum]^color_buf_b[pixelNum];

logic_ color_a[pixelNum]=src_a[pixelNum]^color_buf_a[pixelNum];

break;

default :}

2.3 仿真驗(yàn)證

文中搭建的仿真平臺(tái)應(yīng)用程序運(yùn)行在Tight-VNC1.3.9版本軟件上，VNC是一款基于Linux和UNIX操作系統(tǒng)的開源軟件[13]。配置Linux內(nèi)核版本為64位：TARGET_ARCH=linux64。配置SystemC庫(kù)版本為SystemC2.3.1，SystemC2.3.1不僅提供了SystemC的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)，也提供了用于仿真的kernel[14]。編譯器采用通用的GCC編譯器。對(duì)比平臺(tái)采用Mesa，Mesa是國(guó)際官方組織發(fā)布的實(shí)現(xiàn)OpenGL應(yīng)用程序接口純軟件模型，不依賴任何硬件[15]。

本節(jié)搭建基于OpenGL2.0標(biāo)準(zhǔn)的GPU片段處理單元測(cè)試用例：定義分辨率為1 024*768，首先將屏幕劃分為4個(gè)視口，在視口glViewport(0,0,W/2,H/2)繪制原始圖像，繪制一組點(diǎn)、線、三角形和多邊形；在視口glViewport(W/2,0,W/2,H/2)使能邏輯操作并配置邏輯操作類型為GL_XOR，繪制圖像；在視口glViewport(0,H/2,W/2,H/2)使能混合操作，配置像素的RGBA分量的混合等式為GL_FUNC_REVERSE_SUBTRACT，配置像素RGBA源混合因子計(jì)算模式為GL_SRC_COLOR，目的混合因子計(jì)算模式為GL_DST_COLOR，繪制圖像；在視口glViewport(W/2,H/2,W/2,H/2)使能深度測(cè)試，清除深度緩沖區(qū)的深度值為0.5，配置glDepthFunc(GL_LESS)，繪制圖像。

模型繪制結(jié)果和Mesa的繪圖結(jié)果分別如圖7(a)、7(b)所示。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了ROU片段處理流程的正確性。

(a)模型繪制結(jié)果

(b)Mesa繪制結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

文中聯(lián)合使用UML的統(tǒng)一描述語(yǔ)言和基于SystemC的體系結(jié)構(gòu)建模對(duì)片段處理單元進(jìn)行了TLM建模，最后以邏輯操作、混合操作和深度測(cè)試為例通過(guò)模型仿真結(jié)果驗(yàn)證算法和流程的正確性。采用這種建模方法實(shí)現(xiàn)了在RTL設(shè)計(jì)之前快速的對(duì)硬件架構(gòu)和軟件算法進(jìn)行探索和驗(yàn)證，為RTL設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。SystemC支持更高的仿真速度、支持軟硬件混合建模和從系統(tǒng)到門的無(wú)縫過(guò)渡，在進(jìn)一步的研究中，可以利用SystemC進(jìn)行基于虛擬原型系統(tǒng)之上的開發(fā)，加速GPU的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)。