基于VMM方法學(xué)的系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同仿真驗(yàn)證

為適應(yīng)日益復(fù)雜的系統(tǒng)芯片SoC(System on Chip)設(shè)計(jì)，新一代芯片設(shè)計(jì)和驗(yàn)證語(yǔ)言SystemVerilog應(yīng)運(yùn)而生，并在2005年11月被美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)批準(zhǔn)為新標(biāo)準(zhǔn)[1]。在此基礎(chǔ)上，Synopsys公司和ARM公司聯(lián)合推出了VMM驗(yàn)證方法學(xué)[2，3]。運(yùn)用VMM方法學(xué)提出的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)，可以快速搭建功能強(qiáng)大的驗(yàn)證平臺(tái)。通過(guò)受約束的隨機(jī)激勵(lì)，并以覆蓋率為指導(dǎo)，可以快速完成系統(tǒng)功能驗(yàn)證，顯著提高驗(yàn)證效率。

文章以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，構(gòu)建了一種符合VMM方法學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同驗(yàn)證平臺(tái)。同時(shí)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了用于優(yōu)化隨機(jī)激勵(lì)約束的方法。

1 系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同仿真驗(yàn)證平臺(tái)

一般仿真驗(yàn)證SoC的策略可分為3個(gè)步驟：模塊驗(yàn)證、集成驗(yàn)證和系統(tǒng)驗(yàn)證[2，4]。其中系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)中包含處理器CPU或DSP[2]，并且采用軟硬件協(xié)同驗(yàn)證方法。因此系統(tǒng)級(jí)軟硬件驗(yàn)證比其他形式的驗(yàn)證更貼近真實(shí)環(huán)境，在仿真中可以觀察到軟硬件運(yùn)行的所有情況，這樣可以快速有效地定位問(wèn)題并進(jìn)行系統(tǒng)性能綜合分析。但是系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同仿真驗(yàn)證也存在驗(yàn)證平臺(tái)搭建周期長(zhǎng)、編譯仿真時(shí)間長(zhǎng)和資源消耗大的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題可以采用VMM方法學(xué)推薦的方法和標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)，并采用成熟的VIP（Verification Intellectual Property），快速搭建驗(yàn)證平臺(tái)。同時(shí)通過(guò)一次編譯多次仿真的驗(yàn)證方式，以提高驗(yàn)證效率，縮短驗(yàn)證周期。

圖1所示是一種符合VMM標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同仿真驗(yàn)證平臺(tái)。在這里，硬件指RTL（Register Transfer Lever）設(shè)計(jì)，包括ARM核處理器模型。軟件指用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編寫的程序，通過(guò)編譯加載到仿真環(huán)境中由ARM核處理器模型執(zhí)行[5]。驗(yàn)證平臺(tái)由SystemVerilog語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，在RTL級(jí)仿真驗(yàn)證。

1.1 驗(yàn)證平臺(tái)的架構(gòu)

圖1所示的驗(yàn)證平臺(tái)符合可重用性[2，6]，即不同的DUT（Design Under Test）模塊可以共用同一個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)。驗(yàn)證平臺(tái)結(jié)構(gòu)被模塊化和層次化。每個(gè)模塊的功能和層與層之間的接口被明確定義，這使得驗(yàn)證平臺(tái)十分靈活。

1.1.1 測(cè)試層

測(cè)試層主要是編寫各種測(cè)試案例（Testcase），包括修改生成器的約束，定義新的隨機(jī)場(chǎng)景，同步不同事物處理器和創(chuàng)建定向激勵(lì)[2]。通常，在仿真的進(jìn)行中要不斷查看搜集的覆蓋率，并以此來(lái)修改隨機(jī)激勵(lì)的約束條件，或者針對(duì)難以覆蓋的邊角情況編寫定向激勵(lì)。適當(dāng)?shù)募s束條件可提高覆蓋率收斂速度。

1.1.2 場(chǎng)景層

場(chǎng)景層由生成器（Generator）產(chǎn)生可控且同步的事務(wù)。生成器根據(jù)測(cè)試層提供的靜態(tài)變量和約束條件，隨機(jī)生成不同的配置信息和數(shù)據(jù)。配置信息通過(guò)功能層的事務(wù)處理器傳遞給命令層的軟件程序，用于配置DUT。同時(shí)配置信息還要傳到VIP事務(wù)處理器用于配置VIP模塊。

1.1.3 功能層

功能層將場(chǎng)景層隨機(jī)生成的配置信息和數(shù)據(jù)通過(guò)事先約定的通道傳遞給命令層的軟件程序，另外檢測(cè)VIP事務(wù)處理器傳回的數(shù)據(jù)，送給計(jì)分板（Scoreboard），實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證平臺(tái)的自動(dòng)檢查功能。

1.1.4 命令層

命令層包括控制ARM核運(yùn)行的軟件程序（ARM Core Software，圖1中帶紋理方框），需要接收功能層通過(guò)通道（Channel）傳遞過(guò)來(lái)的配置信息和數(shù)據(jù)，同時(shí)還要配置和驅(qū)動(dòng)DUT完成數(shù)據(jù)傳輸。VIP事務(wù)處理器（VIP Transfer）是用于驗(yàn)證DUT的成熟驗(yàn)證IP模塊。VIP監(jiān)視器（VIP Monitor）屬于VIP模塊，用于監(jiān)視DUT與外部通信的接口信號(hào)。命令層還包含一個(gè)或多個(gè)AMBA總線監(jiān)視器，屬于成熟的VIP模塊，用于監(jiān)視多層AMBA總線（Multi-layer AMBA Bus）[7]。

1.1.5 信號(hào)層

在信號(hào)層，例化了所有SoC模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的功能驗(yàn)證。除AMBA總線外，主要還包括ARM核、片上RAM、中斷控制模塊、DMA控制模塊以及其他模塊。

1.1.6 功能覆蓋率

功能覆蓋率可以從驗(yàn)證平臺(tái)的其他模塊中收集，一般沒有特定的限定。

1.2 驗(yàn)證平臺(tái)中軟硬件通信方式

上面所介紹的驗(yàn)證平臺(tái)與其他驗(yàn)證平臺(tái)最大的區(qū)別就是引入了軟件程序，構(gòu)建該驗(yàn)證平臺(tái)的關(guān)鍵是軟件與硬件之間的通信。一般軟件是用匯編和C語(yǔ)言編寫的，硬件與驗(yàn)證平臺(tái)分別是用可綜合Verilog語(yǔ)言和SystemVerilog語(yǔ)言編寫的。在這里規(guī)定用軟件程序與SV（SystemVerilog）之間的通信表示軟件程序與硬件之間的通信，本文介紹以下三種軟硬件通信方式。

(1)軟件向總線未用地址寫數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)軟件程序向SV的單向通信；
(2)通過(guò)SoC上的具有通信功能的模塊，實(shí)現(xiàn)軟件程序與SV之間的通信；
(3)通過(guò)片內(nèi)RAM，實(shí)現(xiàn)軟件程序與SV間的雙向通信。

在實(shí)際使用過(guò)程中，通過(guò)第一種方法輸出軟件程序運(yùn)行過(guò)程中的信息，通過(guò)第三種方法可以作為軟硬件間信息通信的雙向通道。圖1所示的軟硬件協(xié)同仿真驗(yàn)證平臺(tái)就是通過(guò)第三種方式實(shí)現(xiàn)軟硬件雙向通信的，同時(shí)也用到了第一種方式，輸出軟件運(yùn)行過(guò)程中的信息。第二種方式可以視情況使用。

圖2所示是一種系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同仿真驗(yàn)證平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，虛線中為SoC的系統(tǒng)架構(gòu)。為滿足驗(yàn)證需求，在SoC系統(tǒng)架構(gòu)中增添了兩個(gè)模塊：一個(gè)是Print Tube（PT）模塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件仿真時(shí)的信息輸出。當(dāng)軟件需要輸出信息時(shí)，向PT模塊寫數(shù)據(jù)，PT模塊會(huì)調(diào)用$display系統(tǒng)函數(shù)，顯示傳輸過(guò)來(lái)的信息。另一個(gè)是RAM（Random Access Memory）模塊，作為軟件和SV的信息交互的通道。RAM模塊有兩個(gè)總線接口，一個(gè)鏈接到SoC系統(tǒng)總線上，軟件可通過(guò)其讀寫RAM模塊；另一個(gè)接口與驗(yàn)證平臺(tái)中的BFM(Bus Function Model)模塊鏈接，如AHB VIP Master[8]。同時(shí)在驗(yàn)證平臺(tái)中使用RAL(Register Abstraction Layer)[9]方法，將RAM模塊抽象為RAL模型。這樣處理后驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)RAM模塊的訪問(wèn)更簡(jiǎn)潔方便。

為驗(yàn)證SoC系統(tǒng)上某個(gè)模塊的功能，需要編寫兩套激勵(lì)：C語(yǔ)言編寫的軟件程序和SV語(yǔ)言編寫的激勵(lì)。在仿真時(shí)，兩套激勵(lì)需要同步。可以通過(guò)監(jiān)測(cè)RAM模塊中某個(gè)寄存器的變化實(shí)現(xiàn)同步。

在搭建圖1所示的系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同仿真驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)，由于大量使用了VIP，同時(shí)開發(fā)了可重用的PT模塊和SRAM模塊，這使得驗(yàn)證平臺(tái)的搭建工作可以在一周內(nèi)完成，迅速提高了驗(yàn)證效率。

2 受約束的隨機(jī)激勵(lì)與功能覆蓋率組

搭建好基于VMM標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證平臺(tái)后，要發(fā)揮平臺(tái)的作用，關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)好受約束的隨機(jī)激勵(lì)。

一種分類樹(Classification Trees)[10]的方法可以有效地將待測(cè)模塊(DUT)的各種功能配置情況轉(zhuǎn)換成System-
Verilog[1-3，11]的約束語(yǔ)句。但是一般在編寫受約束隨機(jī)激勵(lì)前，需要通過(guò)一些定向激勵(lì)確定驗(yàn)證平臺(tái)工作正常，以及配置參數(shù)有效取值。

如下程序是驗(yàn)證項(xiàng)目中為驗(yàn)證SPI模塊DMA傳輸方式編寫的約束條件。在經(jīng)過(guò)試驗(yàn)性的定向測(cè)試和分類樹處理后，形成SystemVerilog的約束語(yǔ)句。

程序1：
constraint c_ssi_dma {
ch dist { SSI1 := 1, SSI2 := 0, SSI3 := 0 };
ctrlr0_spc dist { 0 := 1, 1 := 0, 2 := 0, 3 := 1 };
( burst_size == 0 ) -> (dmatdlr inside {[0:20]})
(dmardlr == 0)(datas.size() inside{[79:80]});
( burst_size == 1 ) -> (dmatdlr inside {[0:17]})
(dmardlr == 3)(datas.size() inside{[77:80]});
( burst_size == 2 ) -> (dmatdlr inside {[0:13]})
(dmardlr == 7)(datas.size() inside{[73:80]});
( burst_size == 3 ) -> (dmatdlr inside {[0:5]})
(dmardlr == 15)(datas.size() inside{[65:80]});
……
……
datas.size() = 80;
for_block_ts == (80-datas.size());
}

在編寫完隨機(jī)約束條件的同時(shí)還要編寫相應(yīng)的覆蓋率組（covergroup）[1-3，8]，用于自動(dòng)收集仿真過(guò)程中功能覆蓋情況，指導(dǎo)仿真。如下程序是針對(duì)SPI模塊DMA傳輸方式編寫的功能覆蓋率組。
程序2：
covergroup covport_ssi_dma;
coverpoint ch {bins CH[]={[1:3]};}
ctrlr0_spc_c:coverpoint ctrlr0_spc {
bins spc_00={0};
bins spc_11={3};}
coverpoint burst_size {
bins burst_size_1={0};
bins burst_size_4={1};
bins burst_size_8={2};
bins burst_size_16={3};}
dmatdlr_c:coverpoint dmatdlr {
……
……
}
……
……
cross ch, ctrlr0_spc_c, burst_size, dmatdlr_c, dmardlr_c,
for_block_ts, ctrlr0_dfl_c {
ignore_bins
burst_t1=binsof(burst_size)intersect{0}
binsof(dmatdlr_c)intersect{[21:$]};
ignore_bins
burst_t4=binsof(burst_size)intersect{1}
binsof(dmatdlr_c)intersect{[17:$]};
……
}
endgroup

3 驗(yàn)證過(guò)程與驗(yàn)證結(jié)果

3.1 驗(yàn)證過(guò)程

仿真所采用的軟件為Synopsys公司的VCS-MX-C2009.06。它自帶有VMM標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，支持一次編譯多次仿真。由于如圖1所示的軟硬件協(xié)同仿真驗(yàn)證平臺(tái)的通用性，可以將所有測(cè)試案例一次編譯后，分別仿真。不同的測(cè)試案例代碼寫到VMM的宏′vmm_test_begin（）與′vmm_test_end（）之間，并在驗(yàn)證平臺(tái)的程序（program）中通過(guò)類（class）vmm_test_registry的方法run（）來(lái)調(diào)用。仿真過(guò)程如圖3所示。

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

圖4是由上面程序2所定義的覆蓋率組收集的覆蓋率數(shù)據(jù)。每次仿真中，隨機(jī)產(chǎn)生10次隨機(jī)場(chǎng)景。這樣做可以減少重復(fù)運(yùn)行仿真的次數(shù)，提高仿真速度。

從仿真結(jié)果看到：(1)覆蓋率在仿真初始階段增長(zhǎng)很快，隨后逐漸趨緩；(2)劃分測(cè)試空間后的連續(xù)仿真，與未劃分測(cè)試空間的連續(xù)仿真最終仿真時(shí)間相同；(3)劃分測(cè)試空間后的并行仿真，覆蓋率收斂速度最快，可以使覆蓋率收斂速度提高近3倍。

另外由結(jié)果(1)可知，在仿真過(guò)程中，通過(guò)負(fù)反饋機(jī)制修改隨機(jī)變量的約束條件，排除已測(cè)試過(guò)的測(cè)試案例，可以使每次仿真的覆蓋率保持很高的增長(zhǎng)速度[12]。但修改約束條件后需要重新編譯。

針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目需要，文章介紹了一種符合VMM標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級(jí)軟硬件協(xié)同仿真驗(yàn)證平臺(tái)，討論了驗(yàn)證平臺(tái)中軟硬之間的通信方式。給出了在此平臺(tái)上所做的一個(gè)模塊的具體驗(yàn)證，包括隨機(jī)激勵(lì)的約束和相應(yīng)的覆蓋率組。最后對(duì)仿真結(jié)果做了對(duì)比分析。結(jié)果表明，與基于SystemC語(yǔ)言搭建的驗(yàn)證平臺(tái)[13]相比，基于VMM標(biāo)準(zhǔn)并使用SystemVerilog語(yǔ)言，可以提高驗(yàn)證平臺(tái)的搭建效率和可重用性。通過(guò)對(duì)測(cè)試空間的劃分和仿真過(guò)程的控制，有效提高仿真效率。