Abstract

Recently, system-level design languages (SLDLs), which can describe both hardware and software aspects of the design, are receiving attentions. However, most of SLDLs focus on digital systems. Analog mixed-signal (AMS) extensions to SLDLs enable current discrete-oriented SLDLs to describe and simulate not only digital systems but also digital-analog mixed-signal systems.

C/C++ based SLDLs such as SpecC and SystemC have been gaining greater attentions because uniform languages for hardware and software description can make system-level design more efficient. In this research, we work on the analog and mixed-signal extensions to the C-based system-level design language, such as SpecC.

SpecC language is a C-style language for the system-level design. It focuses not only on the system's simulation but also on the system's synthesis. With SpecC methodology, the system design starts from the capture of system's functionality in specification model, then, by the architecture exploration, the specification model is partitioned, allocated and scheduled into architecture model with the more detailed information contained, and then, by implementing the communications among the behaviors in architecture model, the architecture model is detailed into communication model having the detailed communication implementations, finally, the communication model is synthesized to implementation model by mapping the implementation model with RTL IP and RTOS IP. In the methodology of SpecC, the specification model is usually untimed, i.e., there is only execution order defined in the specification model. With introducing more detailed information of implementation during the design phases, the time of the behaviors is estimated and cycled, so called it is timed.

The AMS extended language of SpecC, named as SpecC-AMS, has the same syntax style with original SpecC. It supports the models of both continuous and discrete behaviors, data and time which are needed in the mixed-signal system-level design with software and analog, digital circuits. It also supports the hierarchy with which a complex system can be decomposed into a set of interconnected pieces.

SpecC-AMS captures the functionalities of continuous specification in an extended class named as con behavior. Con behaviors communicate with each other via the ports of extended continuous variables. The con behaviors that are chained with a same network of continuous variables are grouped into a CNT. The CNT exchanges data with discrete behavior through the extended class named ms channel. The synchronization between CNTs and discrete behaviors are via the extended event type named as AD Event and DA Event.

SpecC-AMS models the continuous functionality with the solver-based method. The solver-based descriptions can provide flexibilities and conveniences for user to specify the functionalities of continuous behavior. The continuous solvers of SpecC-AMS are divided into built-in and built-out solvers. We integrate two of the most generally used continuous solvers in current version of SpecC-AMS. They are linear state-space equation solver and transfer function solver, which are widely used for modeling the continuous functionalities of time-domain and frequency-domain respectively.

SpecC-AMS code is executable with the extended compiler and simulation library. We extend the simulation kernel of SpecC so as to synchronize the continuous solver and discrete simulator processing concurrently in the distinguish natures. The synchronization is performed upon a new synchronization mechanism, so called transaction-blended synchronization method. Comparing with the traditional optimistic and lock-step synchronization method, transaction-blended method has the features as: 1) accommodation of both timed and untimed discrete description, 2) unlike optimistic concept, no backtracking is needed, and 3) less disturbance than in the lock-step concept.

We evaluate the SpecC-AMS with serial examples. The evaluation results show the extensions work well under both the timed/untimed system-level description, and have many attractive advantages than traditional design languages.

　本論文は、AMS Extensions for C-Based System-Level Design Language(Cベースシステムレベル設計言語におけるAMS領域への拡張に関する研究)と題し、C言語を元にした電子機器設計におけるシステムレベル設計記述言語に対して、デジタル部分だけでなく、電子機器のアナログ部も表現可能とするための設計言語の拡張方法と言語自体の提案、および、拡張言語のシミュレーション手法について研究したもので、6章と付録から構成されている。

　第1章は、Introduction(序章)であり、研究の背景と目的を述べている。

　第2章は、Related Works(関連研究)であり、従来から研究・開発されてきている、電子機器設計のためのC言語をベースとしたシステムレベル設計言語、特に後に拡張するSpecC言語について簡潔の紹介するとともに、従来のアナログ回路シミュレータや、レジスタ転送レベル(RTL)のハードウェア記述言語(HDL)に対するアナログ拡張の紹介、さらに、C++言語に基づくシステムレベル設計言語であるSystemC言語のアナログ拡張の提案について説明しており、本研究と他研究の関係を明確化している。すなわち、従来は主にRTL HDLに対するアナログ拡張について研究開発されてきていること、ならびに、唯一のC言語ベースシステム設計言語に対するアナログ拡張であるSystemC言語のアナログ拡張はまだ基本が提案されている段階であり、記述とシミュレーション効率の面で改良の余地が大きいことが示されている。

　第3章は、Modeling of SpecC-AMS Language(SpecCアナログ拡張言語モデル)と題し、システムレベル設計におけるアナログ部の取り扱い法を論じるとともに、そのモデル化とデジタル部とアナログ部の通信法について提案している。各処理部分でのハードウェアやソフトウェアでの実行時間が未確定であるシステムレベル設計において、詳細な実行時間が決定しているアナログ設計記述を如何にすれば、効率的に同時並行処理としてシミュレーションできるかという観点から、新規通信法の提案を行っている。

　第4章は、Extension Semantic of SpecC-AMS Language(SpecCアナログ拡張言語のシミュレーション法)と題し、従来のRTL HDLに対するアナログ拡張で利用されているデジタル部とアナログ部の通信や同期手法を分析し、より効率的に同期を取るアルゴリズムの提案を行い、実際にシミュレータとしての実装法について議論している。従来から提供されているSpecC言語に対するシミュレータを元に、一般のアナログ用シミュレータと連携して動作させるための枠組みが提案されており、その枠組みに対するインタフェイスを追加することで、従来からあるアナログシミュレータの多くをSpecC言語シミュレータと連携して動作させられることが示されている。このようにすることでアナログ部については、任意のシミュレータと連携できる可能性が示され、アナログ回路だけでなく、機械系の表現としてのアナログ部のシミュレータとの連携も可能になる。

　第5章は、Case Studies(例題による評価)と題し、提案しているSpecCのアナログ拡張言語を用いて、デジタル・アナログ協調設計としての、ADコンバータ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、PLL，MP3プレーヤーの設計記述を実際に行い、シミュレーション速度などを評価している。特に、従来のRTL HDLではなく、システムレベルでデジタル部を表現することで、シミュレーションが高速になること、また、デジタル部とアナログの分割の仕方をいろいろ試しながら設計詳細化を薦めるデジタル・アナログ協調設計が実際に可能であるとが示されている。

　第6章は、Summary and Future Works(結論と今後の課題)と題し、本論文の研究成果をまとめるとともに、今後の発展方向について議論している。

　付録では、提案手法をC言語ベースシステムレベル設計言語であるSpecCに適用した場合の具体的言語シンタックスの提案を言語リファレンスマニュアルの形で示している。本言語リファレンスマニュアルは、SpecCオープンコンソーシアムに対し、SpecC言語のアナログ拡張の提案という形で提出しており、コンソーシアムでは本提案を元に、言語拡張の検討を実際に行っている。

　以上、本論文は電子機器に対するシステムレベル設計において、従来のデジタル部の設計記述だけでなく、アナログ部についてもデジタル部と協調動作するブロックとして設計記述できることを示し、具体的にSpecC言語の拡張法を提案するとともに、その効率的なシミュレーション手法を提案・実装し、かつ例題によりその有効性を実証したもので電子工学発展に寄与する点が少なくない。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。