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SystemC Hello World：從 sc_main 到模擬時間

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SystemC 常被說成「一種硬體描述語言」，但這個說法其實不太對，SystemC 的用法不是這樣。

真正的硬體描述語言(HDL) 指的是 Verilog 、 VHDL 這種可以被合成工具（Synopsys Design Compiler、Xilinx Vivado…）轉成 gate level netlist 的語言。

SystemC 要做的事情不是合成硬體電路，他真正的戰場是在 RTL 做完前先做出簡化的版本來做架構探索(architecture exploration)、效能估算(performance estimation)。

它的規格是 IEEE 1666。實作上最常見的是 Accellera 的參考實作。

第一個版本：只是 C++

SystemC 的進入點不是 main，而是 sc_main：

hello.cpp
#include <systemc.h>


int sc_main(int argc, char* argv[]) {
    std::cout << "Hello, SystemC" << std::endl;
    return 0;
}

函式庫內部有自己的 main，它負責初始化模擬核心，然後呼叫你的 sc_main。所以連結時不要自己再寫一個 main。

這段能編譯、能跑、會印出字串 —— 但它跟 SystemC 一點關係都沒有。把 #include 拿掉、sc_main 改回 main，行為完全相同。模擬核心從頭到尾沒有啟動過。

真正的 Hello World

要讓它成為 SystemC 程式，需要三樣東西：一個模組(module)、一個行程（process），以及啟動核心。

hello.cpp
#include <systemc.h>


SC_MODULE(Hello) {
    SC_CTOR(Hello) {
        SC_THREAD(say_hello);
    }


    void say_hello() {
        std::cout << sc_time_stamp() << " : Hello, SystemC" << std::endl;
        wait(10, SC_NS);
        std::cout << sc_time_stamp() << " : 10 ns later" << std::endl;
    }
};


int sc_main(int argc, char* argv[]) {
    Hello hello("hello");
    sc_start();
    return 0;
}

輸出：

0 s : Hello, SystemC
10 ns : 10 ns later

那個 10 ns 是整段程式的重點。

這裡發生了什麼

SC_MODULE(Hello) 展開後是 struct Hello : sc_module。SC_CTOR 是建構子的巨集，它接的字串引數 "hello" 成為這個實例在模擬階層中的名字 —— 之後錯誤訊息與波形檔都靠這個名字定位。

SC_THREAD(say_hello) 向核心註冊一個行程。SystemC 有兩種常用行程：

巨集 特性 適用
SC_METHOD 被觸發時整個跑完，不能 wait() 組合邏輯、快速反應
SC_THREAD 有自己的執行堆疊，可以 wait() 後續跑 有時序行為的流程、testbench

sc_start() 才是把核心跑起來的那一行。沒有它，行程只是註冊了，永遠不會被排程。

wait(10, SC_NS) 是分界線。它不是 sleep() —— 不會讓程式暫停十億分之一秒，實際上是立刻執行完的。它做的是把行程掛起、告訴核心「十奈秒的模擬時間之後再叫醒我」。核心把時間直接推進到下一個有事件的時間點。

模擬時間與真實時間之間沒有任何關係。模擬一小時的晶片行為可能花三秒，也可能花三天。

編譯

Ubuntu / Debian 直接裝套件最省事：

Terminal window
sudo apt install libsystemc-dev
g++ -std=c++17 hello.cpp -o hello -lsystemc
./hello

從 Accellera 原始碼自行安裝的話，要自己指路徑：

Terminal window
g++ -std=c++17 hello.cpp -o hello \
    -I"$SYSTEMC_HOME/include" \
    -L"$SYSTEMC_HOME/lib-linux64" \
    -lsystemc \
    -Wl,-rpath,"$SYSTEMC_HOME/lib-linux64"

最後那行 -Wl,-rpath 把函式庫路徑寫進執行檔，省掉每次都要設 LD_LIBRARY_PATH。lib 目錄的名字會因版本與建置方式而異，CMake 安裝的通常就是 lib。

最容易卡住的一個錯誤

編譯過了、連結卻失敗，訊息裡出現一個看起來很奇怪、名字裡帶著版本號和 cxx201703L 之類字樣的 undefined reference —— 這幾乎一定是 -std 與函式庫建置時用的不一致。

SystemC 刻意把 C++ 標準版本編進一個 API 版本符號裡，就是為了在連結期擋下這種組合。ABI 不相容如果放到執行期才爆，會變成極難追查的記憶體問題；擋在連結期是刻意的設計。

修法是讓兩邊對齊：查出函式庫是用哪個標準建的，然後用同一個 -std 編譯你的程式。

順帶一提

#include <systemc.h> 會 using namespace sc_core 與 sc_dt，寫起來短，但在大一點的專案裡容易撞名。比較乾淨的做法是：

hello.cpp
#include <systemc>   // 不污染命名空間，要寫 sc_core::
#include <systemc.h> // 方便，但 using namespace

教學文件多半用 .h 版本。自己的專案建議一開始就用不帶 .h 的版本，之後不用回頭改。