【文章內(nèi)容簡介】 交互的例程集合。 ?設(shè)計(jì)能夠在多個(gè)層次上加以描述，從開關(guān)級、門級、寄存器傳送級 (RTL )到算法級，包括進(jìn)程和隊(duì)列級。 ?能夠使用內(nèi)置開關(guān)級原語在開關(guān)級對設(shè)計(jì)完整建模。 ?同一語言可用于生成模擬激勵(lì)和指定測試的驗(yàn)證約束條件，例如輸入值的指定。 ?Verilog HDL能夠監(jiān)控模擬驗(yàn)證的執(zhí)行，即模擬驗(yàn)證執(zhí)行過程中設(shè)計(jì)的值能夠被監(jiān)控和顯示。這些值也能夠用于與期望值比較，在不匹配的情況下，打印報(bào)告消息。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 ?在行為級描述中， Verilog HDL 不僅能夠在 RTL 級上進(jìn)行設(shè)計(jì)描述，而且能夠 在體系結(jié)構(gòu)級描述及其算法級行為上進(jìn)行設(shè)計(jì)描述。 ?能夠使用門和模塊實(shí)例化語句在結(jié)構(gòu)級進(jìn)行結(jié)構(gòu)描述。且在一個(gè)設(shè)計(jì)中每個(gè)模塊均可以在不同設(shè)計(jì)層次上建模。 ?Verilog HDL還具有內(nèi)置邏輯函數(shù)，例如 amp。(按位與 )和 |(按位或 )。 ?支持高級編程語言結(jié)構(gòu)，例如 if 語句、 case 語句和循環(huán)語句。 ?可以顯式地對并發(fā)和定時(shí)進(jìn)行建模。 ?通過系統(tǒng)函數(shù)提供強(qiáng)有力的文件讀寫能力。 ?語言在特定情況下是非確定性的，即在不同的模擬器上模型可以產(chǎn)生不同的結(jié)果 ； 例如 ： 事件隊(duì)列上的事件順序在標(biāo)準(zhǔn)中沒有定義。 設(shè)計(jì)層次與選用的語 言 按傳統(tǒng)方法，我們將硬件抽象級的模型類型分為以下五種 ： 系統(tǒng)級 (system)—用語言提供的高級結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)算法運(yùn)行的模型。 算法級 (algorithm)—用語言提供的高級結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)算法運(yùn)行的模型。 RTL 級 (Register Transfer Level)—描述數(shù)據(jù)在寄存器之間流動(dòng)和如何處理、控制這些數(shù)據(jù)流動(dòng)的模型。 (以上三種都屬于行為描述，只有 RTL 級才與邏輯電路有明確的對應(yīng)關(guān)系。 ) 門級 (gatelevel )—描述邏輯門以及邏輯門之間的連接模型，與邏輯電路有確切的連接關(guān)系。 開關(guān)級 (switchlevel)—描述器件中三極管和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)以及它們之間連接的模型，與具體的物理電路有對應(yīng)關(guān)系。 根據(jù)目前芯片設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢，驗(yàn)證級和綜合抽象級也有可能成為一種標(biāo)準(zhǔn)級別。因?yàn)樗鼈冞m合于 iP 核復(fù)用和系統(tǒng)級仿真綜合優(yōu)化的需要，而軟件 (嵌入式、固件式 )也越來越成為一個(gè)和系統(tǒng)密切相關(guān)的抽象級別口。 除了 Verilog HDL 外，還有下面幾種比較常用的 HDL： (1) VHDL，是 1980 年因?yàn)槊绹娛鹿I(yè)的需要由美國國防部開發(fā)的， 1987年由 IEEE （ Institute of Electrical and Electronics Engineers)將 VHDL 制定為標(biāo)準(zhǔn)，稱為 IEEE l0761987。第二個(gè)版本是在 1993 年制定的，稱為 VHDL93，增加了一些新的命令和屬性。 (2) Superlog，是為了在原有硬件描述語言的基礎(chǔ)上，結(jié)合高級語言 C, C++甚至 Java 等語言的特點(diǎn)，進(jìn)行擴(kuò)展，達(dá)到的一種新的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)語言標(biāo)準(zhǔn)，在沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 1999 年由 CoDesign 公司發(fā)布，同時(shí)發(fā)布了兩個(gè)開發(fā)工具 ： SYSTEMSIM 和SYSTEMX。一個(gè)用于系統(tǒng)級開發(fā)，一個(gè)用于高級驗(yàn)證。 2020 年， CoDesign 公司向電子產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化 組織 Accellera 發(fā)布了 Superlog 擴(kuò)展綜合子集 ESS，使其可以為各種系統(tǒng)級的 EDA 軟件工具所利用。 (3) SystemC，是一種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)較高層次的軟件和硬件描述的系統(tǒng)級設(shè)計(jì)語言，由 Synopsys 公司和 CoWare 公司積極響應(yīng)目前各方對系統(tǒng)級設(shè)計(jì)語言的需求而合作開發(fā)的。 1999 年 9 月 27 日， 40 多家世界著名的 EDA 公司、 IP 公司、半導(dǎo)體公司和嵌入式軟件公司宣布成立 “開放式 SystemC 聯(lián)盟 ”。 Cadence 公司也于2020 年加入了 SystemC 聯(lián)盟。所有的 SystemC 都是基于 C++的，由一組 描述類庫和一個(gè)包含仿真核的庫組成。在用戶的描述程序中，必須包括相應(yīng)的類庫，可以通過通常的 ANSI C++編譯器編譯。 目前，對于一個(gè)系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)項(xiàng)目，可以參考以下幾種設(shè)計(jì)方案 : ① 在系統(tǒng)級采用 VHDL，在軟件級采用 C 語言，在實(shí)現(xiàn)級采用 Verilog。目前， VHDL 與 Verilog 的互操作性已經(jīng)逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化，但軟件與硬件的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)還是一個(gè)很具挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)檐浖絹碓匠蔀?SvC 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。該方案的特點(diǎn)是 ： 風(fēng)險(xiǎn)小 、 集成難度大，與原有方法完全兼容，有現(xiàn)成的開發(fā)工具 ； 但工具集成由開發(fā)者自行負(fù)責(zé)完成。 ② 系統(tǒng)級及 軟件級采用 Superlog，硬件級和實(shí)現(xiàn)級均采用 Verilog HDL 描述，這樣和原有的硬件設(shè)計(jì)可以兼容。只要重新采購兩個(gè) Snperlog 開發(fā)工具SYSTEMSIM 和 SYSTEMEX 即可。該方案特點(diǎn)是風(fēng)險(xiǎn)較小，易于集成，與原硬件設(shè)計(jì)兼容性好，有集成開發(fā)環(huán)境。 ③ 系統(tǒng)級和軟件級采用 SystemC，硬件級采用 SystemC與常規(guī)的 Verilog HDL互相轉(zhuǎn)換，與原來的軟件編譯環(huán)境完全兼容。開發(fā)者只需要一組描述類庫和一個(gè)包含仿真核的庫，就可以在通常的 ANSI C++編譯器環(huán)境下開發(fā) ； 但硬件描述與原有方法完全不兼 容。該方案特點(diǎn)是風(fēng)險(xiǎn)較大，與原軟件開發(fā)兼容性好，硬件開發(fā)有風(fēng)險(xiǎn)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 2 分布式數(shù)據(jù)采集的原理 分布式數(shù)據(jù)采集 簡介 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（ distributed acquisition system）是相對于集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)而言的。它一般是由地面采集站、遙測數(shù)傳電纜以及中央控制站三部分組成，其中地面采集站按測線的方向布置，負(fù)責(zé)采集一個(gè)或幾個(gè)測點(diǎn)的地球物理數(shù)據(jù)，而中央控智站的主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的記錄和質(zhì)量監(jiān)控。目前這種系統(tǒng)已在地震勘探和高密度電法中被采用。分布式采集系統(tǒng)是一種概念明確、有廣泛適用性的數(shù)據(jù)采集方式。簡單的說 分布式數(shù)據(jù)采集就是把分布在不同區(qū)域內(nèi)的工控設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集到需要數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)上。這些工控設(shè)備可以是在同一個(gè)地理區(qū)域的不同類型的的智能設(shè)備，也可以分布在不同的地理區(qū)域的同一類型的智能設(shè)備，還可以是分布在不同的地理區(qū)域的不同類型的智能設(shè)備。下面就這三種情況分別解釋。 第一種情況出現(xiàn)在地理位置相對集中的系統(tǒng)中。為了達(dá)到客戶的需要，工程的開發(fā)人員選購了各種不同類型的智能設(shè)備。這是我們就需要把這些設(shè)備上的數(shù)據(jù)采集到一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，以便開發(fā)者可以有效的利用這些數(shù)據(jù)。比如一個(gè)智能樓宇系統(tǒng)中使用的電 力，中央空調(diào)，溫度濕度等環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，生活用水、煤氣使用等的檢測設(shè)備。要把這些不同類型的設(shè)備數(shù)據(jù)采集回來，我們就需要使用紫金橋組態(tài)軟件提供的豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。具體施工過程中會(huì)用到 RS485總線、 RS232 總線等可以近距離傳輸數(shù)據(jù)的物理設(shè)備。針對不同的設(shè)備，我們選擇建立不同的邏輯設(shè)備，以便跟實(shí)際的物理設(shè)備做好一一映射。之后我們在數(shù)據(jù)點(diǎn)組態(tài)中新建好我們要使用的數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后我們可以對這些點(diǎn)的連接選項(xiàng)進(jìn)行，最后我們運(yùn)行這個(gè)工程后我們就可以得到我們需要的數(shù)據(jù)。 第二種情況一般是為了實(shí)現(xiàn)某一個(gè)功能，選購了某一個(gè) 廠家的同一種設(shè)備，比如某煤礦集團(tuán)需要實(shí)時(shí)的觀測旗下 N 個(gè)煤礦的各生產(chǎn)礦井的瓦斯氣體濃度等數(shù)據(jù)，以便更好的進(jìn)行安全管理。一種解決方法是我們使用紫金橋軟件提供的數(shù)據(jù)源功能來實(shí)現(xiàn)不同地理位置中數(shù)據(jù)的采集和匯總，當(dāng)然前提是你必須有相應(yīng)的物理連接。這種方法適用于大型的多級數(shù)據(jù)匯總，我們在下層的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器上把數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫中以后，然后在上位機(jī)中使用數(shù)據(jù)源來獲取下位數(shù)據(jù)采集服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，這種方式是紫金橋軟件自己的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中傳輸數(shù)據(jù)，所以可以沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 使用較少的帶寬來傳輸較多的數(shù)據(jù)。另一種解決方法是使用光纖、電臺(tái)、 GPRS等遠(yuǎn) 程數(shù)據(jù)傳輸模塊。這一方法是使用紫金橋的邏輯設(shè)備，在相應(yīng)的設(shè)備組態(tài)中添加這些遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸模塊即可，適用于小型的單一的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。 同樣的情況也可以應(yīng)用在灌區(qū)內(nèi)河流水位的監(jiān)測、市區(qū)環(huán)境監(jiān)測、電力調(diào)度等行業(yè)。 第三種情況是前兩種的結(jié)合。也是應(yīng)用較多的一種，比如一個(gè)物業(yè)管理公司下的很多個(gè)智能樓宇，或者是一個(gè)煤礦集團(tuán)需要旗下煤礦除了瓦斯氣體濃度以外還需要知道有關(guān)煤礦生產(chǎn)安全的更多的量時(shí)。這一解決方案就是把前兩種解決方案組合起來應(yīng)用。 分布式系統(tǒng)的 原理 一、前言 自 1946 年第一臺(tái)計(jì)算機(jī) ENIAC 誕生， 60多年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了飛速的發(fā)展。 50 年代，計(jì)算機(jī)是串行處理機(jī)，一次運(yùn)行一個(gè)作業(yè)直至完成。這些處理機(jī)通過一個(gè)操作員從控制臺(tái)操縱，而對于普通用戶則是不可訪問的。在 60 年代，需求相似的作業(yè)作為一個(gè)組以批處理的方式通過計(jì)算機(jī)運(yùn)行以減少計(jì)算機(jī)的空閑時(shí)間。同一時(shí)期還提出了其他一些技術(shù)，如利用緩沖、假脫機(jī)和多道程序等的脫機(jī)處理。 70 年代產(chǎn)生了分時(shí)系統(tǒng)，不僅作為提高計(jì)算機(jī)利用率的手段，也使用戶離計(jì)算機(jī)更近了。分時(shí)是邁向分布式系統(tǒng)的第一步：用戶可以在不同的地點(diǎn)共享并訪問資源。從 80 年代中期開始，計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域中兩方面 的進(jìn)步開始使得多臺(tái)計(jì)算機(jī)連接成為可能。第一項(xiàng)進(jìn)步是高性能微處理器的開發(fā)，第二項(xiàng)進(jìn)步是高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)明。有了以上這些技術(shù)的使用，到了 90 年代，分布式系統(tǒng)迎來了它發(fā)展的春天。當(dāng)用戶需要完成任何任務(wù)時(shí)，分布式計(jì)算提供對盡可能多的計(jì)算機(jī)能力和數(shù)據(jù)的透明訪問，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能與高可靠性的目標(biāo)。在過去10 多年里，無數(shù)研究人員都在研究分布式硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)來開發(fā)利用其潛在的并行性和容錯(cuò)性。 二、分布式系統(tǒng)定義 分布式系統(tǒng)是若干獨(dú)立計(jì)算機(jī)的集合，這些計(jì)算機(jī)對于用戶來說就像是單個(gè)相關(guān)系統(tǒng)。這包含了兩方面的內(nèi)容。第一個(gè)方 面是關(guān)于硬件的：機(jī)器本身是獨(dú)立的。第二個(gè)方面是關(guān)于軟件的：對用戶來說他們就想在于單個(gè)系統(tǒng)打交道。 如果一個(gè)系統(tǒng)的部件局限在一個(gè)地方，它就是集中式的；如果它的部件在不沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 同地方，部件之間要么不存在或僅存在有限的合作，要么存在緊密的合作，它是分散式的。當(dāng)一個(gè)分散式系統(tǒng)不存在或僅存在有限的合作時(shí)，它就被稱作網(wǎng)絡(luò)的；否則它就被稱作分布式的，表示在不同地方的部件之間存在緊密的合作。在給出分布式系統(tǒng)具體定義的模型中，分布式系統(tǒng)可以用硬件、控制、數(shù)據(jù)這三個(gè)維度加以檢驗(yàn)。 有人用一個(gè)公式來形容分布式系統(tǒng)，分布式系統(tǒng) =分布式硬 件 +分布式控制 +分布式數(shù)據(jù)，這是最恰當(dāng)?shù)母爬ā? 從狹義上分析，分布式計(jì)算就是在兩個(gè)或多個(gè)軟件互相共享信息，這些軟件既可以在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，也可以在通過網(wǎng)絡(luò)連接起來的多臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。從廣義上講，它研究 如何把一個(gè)需要非常巨大的計(jì)算能力才能解決的問題分成許多小的部分，然后把這些部分分配給許多計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，最后把這些計(jì)算結(jié)果綜合起來得到最終的結(jié)果。分布式計(jì)算項(xiàng)目已經(jīng)被用于使用世界各地成千上萬位志愿者的計(jì)算機(jī)的閑置計(jì)算能力，這些項(xiàng)目都很龐大，需要驚人的計(jì)算量，僅僅由單個(gè)的電腦或是個(gè)人在一個(gè)能讓人接受的時(shí)間內(nèi) 計(jì)算完成是決不可能的。 因此分布式計(jì)算比起其它算法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 稀有資源可以共享。 通過分布式計(jì)算可以在多臺(tái)計(jì)算機(jī)上平衡計(jì)算負(fù)載。 可以把程序放在最適合運(yùn)行它的計(jì)算機(jī)上。其中，共享稀有資源和平衡負(fù)載是計(jì)算機(jī)分布式計(jì)算的核心思想之一。 三、分布式系統(tǒng)特性 分布式系統(tǒng)有以下幾個(gè)主要特性：有多個(gè)對等進(jìn)程進(jìn)行合作，明確了具體的工作目標(biāo)，有個(gè)性化的控制方式（這是分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題），具有數(shù)據(jù)共享 /消息傳遞的功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了網(wǎng)絡(luò)通信的延遲，具有故障化解的能力。概括地講師具有分布式的、網(wǎng)絡(luò) 的、并行的、并發(fā)的和分散的五個(gè)特點(diǎn)。 “并行的”意味著從一個(gè)單一控制線程對數(shù)據(jù)集的鎖步 (10ckstep)動(dòng)作。在并行計(jì)算機(jī)級別上，單指令流多數(shù)據(jù)流 (SIMD)計(jì)算機(jī)就是一個(gè)使用多個(gè)數(shù)據(jù)處理單元在許多數(shù)據(jù)項(xiàng)上同時(shí)進(jìn)行相同或相似操作的例子。 “并發(fā)的”意味著某些動(dòng)作可以以任意次序執(zhí)行。例如，在更高級別上和在多指令流多數(shù)據(jù)流 (MIMD)并行計(jì)算機(jī)上進(jìn)行部分獨(dú)立的操作。 “分布式的”意味著計(jì)算的成本或性能取決于數(shù)據(jù)和控制的通信。 分布式系統(tǒng)一般具有以下 4個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，即分布式系統(tǒng)能夠讓用戶方便地與資源連接 ；必須隱藏資源在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上分布這樣一個(gè)事實(shí)；必須是開放的；必沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 須是可擴(kuò)展的。同時(shí)也要注意解決的以下幾個(gè)基本問題：進(jìn)程通信、命名、同步、一致性與復(fù)制、容錯(cuò)、安全等。只有解決好上述幾個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)和基本問題，這個(gè)分布式系統(tǒng)才會(huì)穩(wěn)定、高效，真正的物有所值。 四、分布式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別 我們都知道，分布式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)離不開計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，然而分布式系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)雖然關(guān)系密切，但在結(jié)構(gòu)、工作方式和功能上有著巨大的不同。 在工作方式上，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為顯式的方式，即對網(wǎng)絡(luò)功能的調(diào)用是顯式地進(jìn)行的，需指出對象的標(biāo)識(shí)（名 /地址） ；分布式系統(tǒng)為隱式的方式，它以功能調(diào)用形式向用戶提供服務(wù)，各分布功能的使用過程和部分之間關(guān)系的維護(hù)是由系統(tǒng)完成的，對用戶透明。 在結(jié)構(gòu)上的，兩者在硬件和拓?fù)渖蠠o本質(zhì)區(qū)別，在通信功能上也基本相同，然而在用戶服務(wù)上存在本質(zhì)差異：分布式系統(tǒng)涉及與應(yīng)用有關(guān)的語義，而網(wǎng)絡(luò)只涉及通信的語義。（如 FTP：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)； NFS：分布式系統(tǒng)服務(wù)） 在適應(yīng)范圍上，網(wǎng)絡(luò)具有通用性，