第三部分-SystemC行为建模基础-《SystemC片上系统设计》-教学-系统级设计描述语言-Sy.ppt

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1、系统级设计描述语言系统级设计描述语言SystemCXuny smth东主楼东主楼9区区324房间房间版权所有版权所有 2004第三部分第三部分 SystemC行为建模基础行为建模基础教材：教材：陈曦陈曦 徐宁仪徐宁仪SystemC片上系统设计片上系统设计,科学出版社科学出版社,2003本本ppt课程主要内容课程主要内容p共讲共讲4次次，争取讲清楚，争取讲清楚Why&How,重点是重点是Conceptp 内容包括：内容包括：n为什么用为什么用SystemC做片上系统设计？做片上系统设计？nSystemC基本语法基本语法*nSystemC行为建模基础行为建模基础*nSystemC交易级建模与通信细

2、化交易级建模与通信细化*nSystemC 方法库方法库pMaster/Slave库库p验证库验证库第三部分第三部分SystemC行为建模基础行为建模基础一些重要概念回顾一些重要概念回顾pSystemC是一种系统描述语言，而不仅仅是一种是一种系统描述语言，而不仅仅是一种新的硬件描述语言。新的硬件描述语言。pSystemC 的主要目的是实现用单一语言完成设计规范、的主要目的是实现用单一语言完成设计规范、系统体系结构分析、验证平台和行为模型。系统体系结构分析、验证平台和行为模型。p用用SystemC的行为模型描述的算法模块比的行为模型描述的算法模块比RTL模块快模块快10100倍。倍。pSystem

3、C的更大价值在于其提供高层次设计流程。行为级综合的更大价值在于其提供高层次设计流程。行为级综合工具经过多年的发展渐渐成熟，工具经过多年的发展渐渐成熟，SystemC和行为综合工具结合的和行为综合工具结合的设计方法将会大大提高设计和验证效率设计方法将会大大提高设计和验证效率.SystemC特别为行为综特别为行为综合设计的语法将使它成为非常适合行为级综合的设计语言。合设计的语法将使它成为非常适合行为级综合的设计语言。SystemC 行为建模行为建模pSystemC行为级建模中一个很重要的概念被称为行为级建模中一个很重要的概念被称为交易级建模交易级建模(Transaction Level Model

4、ing或者或者TLM)。（。（稍后讲述）稍后讲述）pSystemC的的接口接口(Interface)、端口端口(Port)和和通通道道(Channel)三个概念是进行三个概念是进行SystemC 行为建模行为建模的基础的基础。（本部分的重点是理解这三个概念）。（本部分的重点是理解这三个概念）系统抽象：行为，通信和时序p系统抽象的三个关键元素n行为：算法（运算，控制）n通信：各个算法模块之间的数据交互，控制配合n时序：行为和通信的在时间域上的协调p举例系统抽象的三个元素举例存储器p存储器的行为n读：read(address)n写:write(address,data)n复位：resetp存储器的

5、通信nRTL级：地址总线，数据总线，读信号，写信号，复位信号n交易级：目的地址，数据p时序n信号配合时序n读写速度n复位时间系统抽象的三个元素举例嵌入式处理器p行为：完成汇编语言描述的程序p通信：nFlash CPUnCPURAMnDMARAMnIOCPUp时序：n系统总线行为建模对语言的要求（1 of 2）p行为和通信分离（分开描述，时序隐含）n系统体系结构探索，需要对行为和通信的各种组合进行探索（1CPU？3CPU？共享总线？直接通道？）n嵌入式软件开发与调试（软件开发不关心具体硬件通信细节）n优点p行为（或者计算）和通信分开，称为正交化处理正交化处理。可以分别在各自的部分进行修改，而不影

6、响另外一部分的功能和完整性。p处理复杂问题的方法 分而治之时间：分步骤细节：分层本质：正交SystemC的行为建模语言支持p模块（module）是系统行为行为的主要载体。p通道（channel）是通信通信的主要载体。p时序时序隐含在模块和通道的描述中。p特点n行为和通信分开n支持接口方法调用端口通道绑定端口通道绑定端口通道绑定端口通道绑定接口（接口（Interface）p接口的实现：接口的实现：nC+中的抽象类中的抽象类。(抽象类和纯虚函数抽象类和纯虚函数)p接口的特性是不牵扯具体实现；所以它能够联接口的特性是不牵扯具体实现；所以它能够联系行为与通信系行为与通信接口接口(Interface)p

7、抽象类的特点是它定义了一组抽象方法（这里抽象类的特点是它定义了一组抽象方法（这里”方法方法”是是C+中的一个名词，通常理解为类的成中的一个名词，通常理解为类的成员函数），但不定义这些方法的具体实现（这里员函数），但不定义这些方法的具体实现（这里实现指的是给出成员函数的函数体部分）实现指的是给出成员函数的函数体部分）p通道（通道（channelchannel）实现一个或者多个接口）实现一个或者多个接口。存储器接口实例存储器接口实例存储器写接口：存储器写接口：templateclassmem_write_if:publicsc_interfacepublic:virtualtransfer_sta

8、tuswrite(unsignedintaddress,T&data)=0;存储器接口实例复位接口：复位接口：classreset_if:publicsc_interfacepublic:virtualboolreset()=0;存储器接口实例完整的完整的RAM接口：接口：templateclassram_if:publicmem_write_if,mem_read_if,reset_ifpublic:virtualunsignedintstart_address()const=0;virtualunsignedintend_address()const=0;结论结论p我们将我们将mem_re

9、ad_if和和mem_write_if定义为模板类定义为模板类是因为抽象的存储器的每一个单元可以存储的内是因为抽象的存储器的每一个单元可以存储的内容可以是任何类，如存储一个字节容可以是任何类，如存储一个字节char，一个半一个半字字short，一个字一个字int,一个一个packet。p接口是可以分层的，复杂的接口可以由多个简单接口是可以分层的，复杂的接口可以由多个简单的接口继承而得到的接口继承而得到。p类类sc_interface是所有接口类的父类，所有其它类是所有接口类的父类，所有其它类都直接或者间接的从类都直接或者间接的从类sc_interface继承而来。继承而来。端口端口(port)

10、(port)p基本的基本的SystemC端口类型：端口类型：sc_in、sc_out、sc_inout p为了满足行为建模的需要，为了满足行为建模的需要，SystemC允许用户自允许用户自己定义端口类型。己定义端口类型。sc_port p连接模块内的进程（行为）和通道（通信）连接模块内的进程（行为）和通道（通信）端口端口p端口必须与特定的通道接口相连，或者同父模块端口必须与特定的通道接口相连，或者同父模块的端口相连。一个模块的端口连接到零个、一个的端口相连。一个模块的端口连接到零个、一个或者多个通道，或者零个、一个或者多个父模块或者多个通道，或者零个、一个或者多个父模块的端口，但必须至少连接到

11、的端口，但必须至少连接到1个通道或者父模块的个通道或者父模块的端口上端口上。p类类sc_port是所有端口的基类，它是一个模是所有端口的基类，它是一个模板类。板类。IF是接口类型，是接口类型，N是所连接的同一类型的是所连接的同一类型的通道数目，也就是接口数，它的缺省值是通道数目，也就是接口数，它的缺省值是1。端口实例端口实例-RAM读写端口读写端口SC_MODULE(Master)sc_in_clkclk;sc_portram_ifram_port;/端口实例端口实例voidmain_action();/见下一页见下一页intdata;unsignedintaddress;SC_CTOR()S

12、C_CTHREAD(main_action,clk.pos();端口实例端口实例-RAM读写端口读写端口voidMaster:main_action()wait();inti=0;address=0;/anyvalidaddresswhile(i+write(address,data)/DisplaydataelsecoutRAMwritefailread(address,data)/DisplaydataelsecoutRAMreadfailendl;wait();address+;端口与通道的关联#includesource.h#includesink.h“#definePERIOD20c

13、lassTop:publicsc_modulepublic:sc_clockclk;sc_fifofifo1;sourcesource1;sinksink1;Top(sc_module_namename,intsize):sc_module(name),fifo1(Fifo1,size),source1(source1),sink1(sink1),clk(Clk,PERIOD,SC_NS)/端口与通道的关联端口与通道的关联source1.write_port(fifo1);source1.clk(clk);sink1.read_port(fifo1);sink1.clk(clk);基本通道基本

14、通道p基本通道基本通道不包含任何进程，也不对外展现出任何不包含任何进程，也不对外展现出任何可见结构，它们也不能够直接的或者间接的调用可见结构，它们也不能够直接的或者间接的调用其它基本通道其它基本通道。pSystemC2.01中中定义了若干基本通道类型，它们定义了若干基本通道类型，它们是是 ：psc_signal,sc_signal_rvpsc_mutexpsc_fifopsc_semaphorepsc_buffer基本通道基本通道-sc_signal_rvpsc_signal_rv是所谓是所谓“解析的解析的”信号通道，与信号通道，与sc_signal的不同之处是的不同之处是它允许同时有多个端口

15、它允许同时有多个端口连接到其上并进行写操作连接到其上并进行写操作。基本通道基本通道-sc_bufferpsc_buffer继承于继承于sc_signal，并重载了并重载了write()和和update()函数函数。psc_buffer不管不管write()写的数据是否与原数据相写的数据是否与原数据相同，都要求进行数据更新；而同，都要求进行数据更新；而sc_signal首先要首先要检查新数据是否与原数据相同，如果不同才进行检查新数据是否与原数据相同，如果不同才进行更新。更新。基本通道基本通道-sc_fifo pFIFO示意图示意图基本通道基本通道-sc_fifopsc_fifo是是SystemC

16、核心语言库中已经实现了的核心语言库中已经实现了的FIFO通道通道。pwrite(&T)代表写代表写FIFO的方法。的方法。pread()是读是读FIFO的方法，的方法，它返回队头单元的数据。它返回队头单元的数据。pnum_free()用于查询用于查询FIFO还有多少空单元。还有多少空单元。pnum_available()查询查询FIFO还有多少个数据可以读。还有多少个数据可以读。pSize代表代表FIFO的总单元数的总单元数,对于对于sc_fifo，Size的默认值的默认值为为16。sc_fifo例化的例子例化的例子 sc_fifo fifo1;/一一个个可可以以存存储储整整型型数数据据的深度

17、为的深度为16的的FIFO sc_fifo fifo2（64）;/一一个个可可以以存存储储64个个packet类型数据的类型数据的FIFOsc_fifo实现的接口实现的接口psc_fifo实现的是接口实现的是接口sc_fifo_in_if和和sc_fifo_out_if sc_fifo_in_iftemplateclasssc_fifo_in_if:virtualpublicsc_interfacepublic:/blockingreadvirtualvoidread(T&)=0;virtualTread()=0;/non-blockingreadvirtualboolnb_read(T&)=

18、0;/getthenumberofavailablesamplesvirtualintnum_available()const=0;/getthedatawritteneventvirtualconstsc_event&data_written_event()const=0;sc_fifo_out_iftemplateclasssc_fifo_out_if:virtualpublicsc_interfacepublic:/blockingwritevirtualvoidwrite(constT&)=0;/non-blockingwritevirtualboolnb_write(constT&)

19、=0;/getthenumberoffreespacesvirtualintnum_free()const=0;/getthedatareadeventvirtualconstsc_event&data_read_event()const=0;使用使用sc_fifo的例子信源信宿通过的例子信源信宿通过FIFO通信通信p信源信源(Source)和信宿和信宿(Sink)通过通过FIFO通信。通信。信源模块信源模块classsource:publicsc_modulepublic:sc_in_clkclk;sc_portsc_fifo_out_ifwrite_port;SC_HAS_PROCESS(

20、source);source(sc_module_namename):sc_module(name)SC_CTHREAD(main,clk.neg();voidmain();/Seeinnextslide;信源模块信源模块voidsource:main()inti=0;constcharstr=Foranyproblems,feelfreetocontacttheauthorviaEmail:!n;wait();while(true)if(rand()&1)if(stri)write_port-write(stri+);wait();信宿模块信宿模块#includeclasssink:publ

21、icsc_modulepublic:sc_in_clkclk;sc_portsc_fifo_in_ifread_port;SC_HAS_PROCESS(sink);sink(sc_module_namename):sc_module(name)SC_CTHREAD(main,clk.neg();voidmain();/Seeinnextslice;信宿模块voidsink:main()charc;while(true)if(rand()&1)read_port-read(c);coutc;wait();Top模块模块#includesource.h#includesink.h“#defineP

22、ERIOD20classTop:publicsc_modulepublic:sc_clockclk;sc_fifofifo1;sourcesource1;sinksink1;Top(sc_module_namename,intsize):sc_module(name),fifo1(Fifo1,size),source1(source1),sink1(sink1),clk(Clk,PERIOD,SC_NS)/端口与通道的关联端口与通道的关联source1.write_port(fifo1);source1.clk(clk);sink1.read_port(fifo1);sink1.clk(clk

23、);sc_main()#include#includetb.hintsc_main(int,char*)unsignedsize=16;TopTop1(“Top1,size);coutTestbenchstarted,thesimulationresultis:endl;sc_start(100000,SC_NS);coutnendl;return0;从本例看模块、接口、端口、通道之间从本例看模块、接口、端口、通道之间的关系的关系p接口是一个接口是一个C+C+抽象类，它定义了一组抽象方法，抽象类，它定义了一组抽象方法，但不定义这些方法的具体实现。但不定义这些方法的具体实现。p通道实现一个或者多

24、个接口。也就是说，通道必通道实现一个或者多个接口。也就是说，通道必须继承一个或者多个接口，这些接口中定义的抽须继承一个或者多个接口，这些接口中定义的抽象方法必须在通道中实现。象方法必须在通道中实现。p端口总是与一定的接端口总是与一定的接口类型相关联的，端口类型相关联的，端口只能连接到实现了口只能连接到实现了该类接口的通道上。该类接口的通道上。p通过端口，模块中的进程可以连接到通道并使用通通过端口，模块中的进程可以连接到通道并使用通道提供的方法道提供的方法 基本通道基本通道-sc_semaphorep通常翻译为信号量通常翻译为信号量。p信信号号量量代代表表可可用用资资源源实实体体的的数数量量，所

25、所以以可可以以认认为为信信号号量量就就是是一一个个资资源源计计数数器器，它它限限制制的的是是同同时时使使用用某某共共享享资资源源（也也称称为为临临界界资资源源）的的进进程程的的数数量量。信信号号量量计计数数的的值值代代表表的的就就是是当当前前仍仍然然可可用用的的共共享享资资源源的的数量。数量。psc_semaphore实实现现的的是是sc_semaphore_if接接口口，定定义义见下页。见下页。sc_semaphore_ifclass sc_semaphore_if:virtual public sc_interfacepublic:/lock(take)the semaphore,bloc

26、k if not available virtual int wait()=0;/lock(take)the semaphore,return-1 if not available virtual int trywait()=0;/unlock(give)the semaphore virtual int post()=0;/get the value of the semphore virtual int get_value()const=0;sc_semaphore:wait()p 其其中中，wait()方方法法获获得得一一个个信信号号量量，其其作作用用效效果果是是获获得得一一份份资资源源

27、的的使使用用权权，使使信信号号量量计计数数减减一一，如下面的实现代码。如下面的实现代码。int sc_semaphore:wait()while(in_use()sc_prim_channel:wait(m_free);-m_value;return 0;sc_semaphore的构造函数的构造函数psc_semaphore(int init_value_);psc_semaphore(const char*name_,int init_value_);sc_mutexp具有锁定和非锁定两种状态具有锁定和非锁定两种状态。当互斥（器。当互斥（器）已经已经由另外的进程锁定，这时申请互斥的进程就会被

28、由另外的进程锁定，这时申请互斥的进程就会被阻塞，直到锁定互斥的进程将互斥解锁。阻塞，直到锁定互斥的进程将互斥解锁。sc_mutex_ifp互斥实现的接口为互斥实现的接口为sc_mutex_if。classsc_mutex_if:virtualpublicsc_interfacepublic:/blocksuntilmutexcouldbelockedvirtualintlock()=0;/returns-1ifmutexcouldnotbelockedvirtualinttrylock()=0;/returns-1ifmutexwasnotlockedbycallervirtualintunl

29、ock()=0;直接通道调用直接通道调用p在同一模块内，各个进程之间也需要通信。它们在同一模块内，各个进程之间也需要通信。它们可以通过共享变量、握手信号、模块内通道等方可以通过共享变量、握手信号、模块内通道等方式通信。如果它们之间的通信是通过模块内通道，式通信。如果它们之间的通信是通过模块内通道，则此时需要进行则此时需要进行直接通道调用。直接通道调用。p下面给出一个使用下面给出一个使用sc_mutex的直接通道调用的例的直接通道调用的例子。子。直接通道调用的实例直接通道调用的实例实例的代码实例的代码SC_MODULE(mutex_example)sc_in_clkclk;sc_outdata;

30、/Porttobeprotectedsc_mutexprotect;voidwriter1()wait();while(true)protect.lock();data.write(rand();protect.unlock();wait();/OtherDetailsofthedesign直接通道调用的另外一种形式直接通道调用的另外一种形式p不通过端口，进行直接通道调用不通过端口，进行直接通道调用 ram*ram0;/通道实例通道实例ram0void main_action();SC_CTOR(PortLess)SC_CTHREAD(main_action,clk.pos();ram0=ne

31、w ram(RAM,0,255);直接通道调用的另外一种形式直接通道调用的另外一种形式voidPortLess:main_action()while(addresswrite(address,data);/不通过端口直接调用通道不通过端口直接调用通道/实现的方法实现的方法coutRAMwriteataddress:address,datais:dataendl;wait();通道的设计规则检查通道的设计规则检查p设计规则是指设计中不能够违反的设计法则，如设计规则是指设计中不能够违反的设计法则，如一个一个sc_signal只能被一个进程驱动，一个只能被一个进程驱动，一个sc_fifo只能连接一个

32、读端口和一个写端口等。只能连接一个读端口和一个写端口等。在设计中进行规则检查能够尽早发现设计中产生在设计中进行规则检查能够尽早发现设计中产生的一些不合理性。的一些不合理性。p设计规则检查实际上是一种设计规则检查实际上是一种形式验证形式验证(Formal Verification)通道的设计规则检查通道的设计规则检查p设计规则检查分为设计规则检查分为静态规则检查静态规则检查和和动态规则检查动态规则检查。n静静态态规规则则检检查查是是指指在在系系统统运运行行前前进进行行的的静静态态检检查查，比比如如一一个个sc_fifo只只能能连连接接一一个个读读端端口口和和一一个个写写端端口口的的检查。检查。n

33、但但是是只只有有静静态态规规则则检检查查是是不不够够的的，有有些些规规则则检检查查必必须须在在运运行行时时间间进进行行，这这就就是是动动态态规规则则检检查查。比比如如，一一个个sc_signal只只能能被被一一个个进进程程驱驱动动的的规规则则只只能能在在运运行行时时动态地进行检查。动态地进行检查。通道的设计规则检查通道的设计规则检查p作作为为SystemC的的用用户户，首首先先要要了了解解有有哪哪些些设设计计规规则则，在在设设计计中中不不能能够够违违反反这这些些规规则则。其其次次用用户户在在实实际际设设计计中中也也可可以以设设计计自自己己的的规规则则检检查查，以以使使自自己的代码更好的满足设计

34、要求。己的代码更好的满足设计要求。一个静态规则检查的例子一个静态规则检查的例子pSystemC约定：当一个端口与一个通道相连接，约定：当一个端口与一个通道相连接，这时相应通道的这时相应通道的:register_port()函数就会被调函数就会被调用。用户可以自己重载这个函数进行专门的静态用。用户可以自己重载这个函数进行专门的静态设计规则检查设计规则检查。p本例中要检查的设计规则：本例中要检查的设计规则：sc_fifo的读用户和的读用户和写用户都只能有一个。重载的写用户都只能有一个。重载的:register_port()函数如下函数如下页页：一个静态规则检查的例子一个静态规则检查的例子templ

35、ateInlinevoidsc_fifo:register_port(sc_port_base&port_,constchar*if_typename_)sc_stringnm(if_typename_);if(nm=typeid(sc_fifo_in_if).name()/onlyonereadercanbeconnectedif(m_reader!=0)/alreadyhasonereaderSC_REPORT_ERROR(SC_ID_MORE_THAN_ONE_FIFO_READER_,0);m_reader=&port_;分层通道分层通道p分层通道分层通道具有可见结构具有可见结构，可以

36、包含进程可以包含进程，可以直可以直接调用其它通道接调用其它通道，它是一个实现了一个或者多个它是一个实现了一个或者多个接口的模块接口的模块 分层通道分层通道p常见的分层通道有两种：常见的分层通道有两种：n一一是是在在一一个个通通道道中中直直接接例例化化并并使使用用其其它它通通道道，被被例例化化的的通通道道可可以以是是分分层层通通道道，也也可可以以是是基基本本通通道道。这这种种类类型型的的通通道道比比较较常常见见，被被称称为为一一般般分层通道分层通道；n二二是是一一个个通通道道利利用用端端口口进进行行间间接接通通道道调调用用，调调用用穿穿越越了了一一个个以以上上的的通通道道。被被穿穿过过的的通通道

37、道似似乎乎被被“合合成成”到到了了一一起起，这这种种通通道道是是一一种种特特殊殊的的分分 层层 通通 道道，称称 作作 合合 成成 通通 道道（composite channel）。合合成成通通道道间间接接的的体体现现了了通通道道的的层层次次性。性。一般分层通道一般分层通道p凡是例化了其它通道的通道都可以归入凡是例化了其它通道的通道都可以归入一般分层一般分层通道通道之列之列。如下例：。如下例：TLMFIFO的准代码的准代码classtlm_fifo:publicsc_module,publicsc_fifo_in_if,publicsc_fifo_out_if,publicreset_ifpu

38、blic:sc_inclk;/OtherSignalDeclaration/FIFOinFIFO,rtl_fifo1isanembeddedchannelrtl_fifortl_fifo1;/RTLFIFOprivate:unsignedm_size;/actualsizeofFIFOpublic:tlm_fifo(sc_module_namename,unsignedsize):sc_module(name),rtl_fifo1(rtl_fifo1,size+1),m_size(size)assert(m_size0);rtl_fifo1.clk(clk);rtl_fifo1.rst(rst

39、);/Otherportassiciationtlm_fifo:write(const T&data)virtualvoidtlm_fifo:write(constT&data)write_data=data;dowait(clk-posedge_event();while(full=true);wait(clk-posedge_event();write_enable=true;wait(clk-posedge_event();write_enable=false;合成通道合成通道p一一个个模模块块可可以以利利用用端端口口穿穿越越了了一一个个以以上上的的通通道道进进行行间间接接通通道道调调用

40、用。被被穿穿过过的的通通道道似似乎乎被被“合合成成“到了一起。到了一起。p我我们们假假定定设设计计好好了了一一个个接接口口类类GetFIFO_if，它它的的一一个个成成员员函函数数getWriteFIFO()返返回回的的是是一一个个FIFO通通道道的的指指针针，如如返返回回上上节节中中定定义义的的tlm_fifo的的指指针针tlm_fifo，再再假假设设又又我我们们实实现现了了一一个个GetFIFO通通道道,data是是一一个个初初始始化化了了的的char型型数数据据。那那么么在在Source模块中就可以通过下面的方式来写模块中就可以通过下面的方式来写FIFO：read_port-getWri

41、teFIFO()-write(data);本章总结本章总结p本章讲述了接口、端口、通道三个基本概念，重要的是弄本章讲述了接口、端口、通道三个基本概念，重要的是弄清它们之间的关系。清它们之间的关系。本章结束抽象类和纯虚函数抽象类和纯虚函数p在在C+中，不是所有类都有实际的意义。有一种中，不是所有类都有实际的意义。有一种类表达的是一种根本不存在的抽象概念，即所谓类表达的是一种根本不存在的抽象概念，即所谓抽象类抽象类。p一个抽象类的例子如一个抽象类的例子如Shape，它本身作为一个抽象它本身作为一个抽象的形状是没有意义的，只有具体化成具体的形状的形状是没有意义的，只有具体化成具体的形状如圆类如圆类C

42、ircle或者三角形类或者三角形类Triangle才有意义。才有意义。抽象类和纯虚函数抽象类和纯虚函数contpShape作为抽象类，其定义可以如下：作为抽象类，其定义可以如下：class Shapepublic:virtual void rotate(int)=0;virtual void draw(int)=0;virtual void is_closed()=0;它它的的所所有有方方法法用用“=0”标标识识表表示示纯纯虚虚函函数数(只只有有函函数数声声明明，没没有有函函数数体体)。C+不不允允许许创创建建抽抽象象类类对对象象，因因为为一一个个抽抽象类对象是没有意义的，所以下面的代码是错误的：象类对象是没有意义的，所以下面的代码是错误的：Shape S;/Shape是抽象类是抽象类ReturnReturn