淺談SoC模塊級(jí)與系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證

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(1.黎明職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程系福建泉州362000;2.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院福建泉州362021)

淺談SoC模塊級(jí)與系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證

葉瓊?cè)?，楊冠魯2

(1.黎明職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程系福建泉州362000;2.華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院福建泉州362021)

SoC芯片通常包含有復(fù)雜的數(shù)據(jù)通路，對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)通路的驗(yàn)證非常具有挑戰(zhàn)性。無(wú)線通信SoC中包括很多功能模塊，為了驗(yàn)證其復(fù)雜的數(shù)據(jù)通路的正確性，需要對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行模塊級(jí)的驗(yàn)證。由于SoC驗(yàn)證已經(jīng)成為整個(gè)流程中的重心，所以努力研發(fā)新的驗(yàn)證方法及設(shè)備，不斷完善SoC驗(yàn)證計(jì)劃和平臺(tái)是當(dāng)前的主要任務(wù)。以SD控制器和芯片系統(tǒng)(SoC)為例，探討SoC模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證，先確定驗(yàn)證策略并編寫測(cè)試計(jì)劃，再創(chuàng)建測(cè)試平臺(tái)，最后對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。

SoC模塊級(jí);SoC系統(tǒng)級(jí);SD控制器;驗(yàn)證

引言

現(xiàn)今的SoC芯片通常包含有復(fù)雜的數(shù)據(jù)通路(datapath)，尤其是音視頻、圖象處理等數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)。如何檢查數(shù)據(jù)通路的正確性，常常讓驗(yàn)證人員頭疼。數(shù)據(jù)信號(hào)之間和信號(hào)前后時(shí)序的相關(guān)性比較少或者難以表示，所以，對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)通路的驗(yàn)證非常具有挑戰(zhàn)性。幸運(yùn)的是，在RTL設(shè)計(jì)前一般進(jìn)行算法的實(shí)現(xiàn)評(píng)估，比如開(kāi)發(fā)定點(diǎn)模型，或者數(shù)據(jù)通路模型?；谶@些模型，驗(yàn)證人員可以很容易開(kāi)發(fā)出用于仿真的參考模型。將參考模型與RTL一起仿真并實(shí)時(shí)地進(jìn)行比較，這就是基于參考模型的驗(yàn)證方法。它是對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)通路最有效的驗(yàn)證方法。［1］

無(wú)線通信SoC中包括很多系統(tǒng)和功能模塊，每個(gè)系統(tǒng)和功能模塊都需要進(jìn)行模塊級(jí)的驗(yàn)證。本文初步探討一下SoC模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證問(wèn)題。

1 SoC的驗(yàn)證策略概述

驗(yàn)證技術(shù)的選擇，是需要全面考慮、權(quán)衡的，并沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)單、同一的規(guī)則。不同的設(shè)計(jì)，需要不同的驗(yàn)證方法。但是，經(jīng)過(guò)不斷積累和沉淀，驗(yàn)證策略也存在一些應(yīng)該遵守的原則：［2］［3］

(1)自底而上的驗(yàn)證流程。一般，先做模塊級(jí)驗(yàn)證，再做頂層驗(yàn)證，最后做系統(tǒng)級(jí)的數(shù)模聯(lián)合仿真。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，在做頂層驗(yàn)證前，可能會(huì)插入子系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證，這尤其適合不同辦公地點(diǎn)的合作。模塊級(jí)驗(yàn)證，關(guān)注該模塊的全部功能以及代碼和功能覆蓋率(基本上希望達(dá)到100%的覆蓋);而頂層驗(yàn)證側(cè)重于各模塊的連接和功能實(shí)現(xiàn)時(shí)的配合;數(shù)模聯(lián)合仿真常常只關(guān)注于數(shù)字和模擬部分的連線和相關(guān)邏輯的配合。這種自底而上的驗(yàn)證流程，一層層地保證功能的準(zhǔn)確，因而效率比較高，容易發(fā)現(xiàn)和定位錯(cuò)誤。

(2)盡量提高測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試激勵(lì)的重用性。傳統(tǒng)的基于Verilog的驗(yàn)證方法，重用性比較差，常常模塊級(jí)的測(cè)試平臺(tái)和激勵(lì)很難用到頂層驗(yàn)證中去。如今的主流方法，如VMM和OVM，在重用性上有了極大的改善。通過(guò)以下講述，讀者能體會(huì)到如何重用測(cè)試平臺(tái)。

(3)先做測(cè)試計(jì)劃，再做具體仿真。在測(cè)試計(jì)劃中，首先會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范詳細(xì)地列出需要測(cè)試的功能點(diǎn)(常常稱為check-list)。這不僅是驗(yàn)證工作完成的依據(jù)，也方便定義功能覆蓋點(diǎn)。

(4)盡量做到自動(dòng)檢查行為的正確性。一般，對(duì)于時(shí)序關(guān)系，采用斷言比較適合;而對(duì)于數(shù)據(jù)通路，采用行為參考模型比較適合。

2 SoC模塊級(jí)的驗(yàn)證

2.1 SoC模塊級(jí)的驗(yàn)證流程

功能驗(yàn)證具有其基本的流程，與傳統(tǒng)的驗(yàn)證流程相似，如圖1所示。

第1步是確定驗(yàn)證策略并編寫測(cè)試計(jì)劃。驗(yàn)證策略一般包括方法的選擇(是采用隨機(jī)測(cè)試還是直接測(cè)試，需不需要參考模型，要不要斷言等)、語(yǔ)言的選擇(SystemVerilog還是SystemC，斷言是SVA還是PSL，參考模型是否需要DPI等)、仿真工具的選擇(工具各有特色：選擇了VMM就最好選擇VCS，使用OVM則可選Mentor的QuestaSim也可選Cadence的Incisive)，以及編程風(fēng)格的定義等。

圖1 功能驗(yàn)證的流程圖

眾所周知，EDA軟件價(jià)格非常昂貴，一般公司只有一兩種仿真工具。所以，通常是結(jié)合仿真工具和設(shè)計(jì)的特點(diǎn)來(lái)選擇相應(yīng)的驗(yàn)證方法，比如控制邏輯常常采用斷言，而數(shù)據(jù)比較則一般需要參考模型。確定了驗(yàn)證方法，就比較容易選擇語(yǔ)言;語(yǔ)言一經(jīng)選定，編程風(fēng)格和規(guī)范才能確定。

確定了驗(yàn)證策略所有細(xì)節(jié)，就需要編寫測(cè)試計(jì)劃。這是對(duì)設(shè)計(jì)的功能細(xì)化，即將設(shè)計(jì)細(xì)分為一條條的子功能，以便對(duì)驗(yàn)證工作進(jìn)行核查。需要注意的是，測(cè)試計(jì)劃需要包括一些特殊情況，比如輸入了非法(不允許)的激勵(lì)等。［2］［3］

第2步是創(chuàng)建驗(yàn)證平臺(tái)。驗(yàn)證平臺(tái)包括測(cè)試平臺(tái)(testbench)和仿真腳本(script)兩部分。測(cè)試平臺(tái)根據(jù)驗(yàn)證策略所定的驗(yàn)證方法，采用所選擇的語(yǔ)言進(jìn)行編寫。而仿真腳本是基于仿真器的測(cè)試管理工具，一般包括仿真環(huán)境的設(shè)置、仿真參數(shù)、仿真結(jié)果的分析和管理等。仿真腳本非常重要，它可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試的自動(dòng)化、批量處理，是仿真效率的保證之一。

第3步是編寫測(cè)試激勵(lì)并進(jìn)行仿真。一般的驗(yàn)證是隨機(jī)測(cè)試和直接測(cè)試結(jié)合，一些特殊的激勵(lì)(常稱為邊際情況)需要直接測(cè)試。激勵(lì)編寫好了就可以進(jìn)行仿真，以檢查設(shè)計(jì)和分析覆蓋率情況。

如果仿真發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤(bug)，則一般需要通過(guò)波形文件(waveform)來(lái)分析和定位錯(cuò)誤，然后再修改相應(yīng)的RTL設(shè)計(jì)。如果沒(méi)有錯(cuò)誤，則合并覆蓋率并看看是否達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)值。一旦達(dá)到了，就可以編寫驗(yàn)證報(bào)告——驗(yàn)證完成。反之，覆蓋率不夠，一般也是通過(guò)工具分析哪些部分沒(méi)有覆蓋到，然后編寫一些直接測(cè)試激勵(lì)來(lái)提高覆蓋率。

2.2 SD控制器的驗(yàn)證策略

SD卡是一種存儲(chǔ)器。眾所周知，存儲(chǔ)器的訪問(wèn)是非常隨機(jī)的，可能是連續(xù)的多次讀寫，也可能是單次讀寫，還可能讀寫交替等等。正因?yàn)檫@種隨機(jī)性，驗(yàn)證也最好采用帶約束的隨機(jī)測(cè)試方法。既然是隨機(jī)測(cè)試，就需要數(shù)據(jù)的自動(dòng)比較，才能讓驗(yàn)證自動(dòng)化。［4］這樣，SD控制器的驗(yàn)證策略如下：

(1)隨機(jī)產(chǎn)生激勵(lì)，激勵(lì)主要是讀寫訪問(wèn)的參數(shù)：方向、地址、數(shù)據(jù)、次數(shù)等;

(2)采用記分板(Scoreboard)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)比較;

(3)功能覆蓋率驅(qū)動(dòng)。

2.3 SD控制器的測(cè)試計(jì)劃

根據(jù)SD控制器的功能和設(shè)計(jì)規(guī)范，可以列舉出其各個(gè)測(cè)試項(xiàng)，如下表1 所示：［5］

表 1SD控制器的測(cè)試列表

2.4 SD控制器的測(cè)試平臺(tái)

SD控制器在Wishbone總線上是一個(gè)從設(shè)備，所以，需要一個(gè)Wishbone的主設(shè)備模型與之相連，以構(gòu)成一個(gè)Wishbone最小系統(tǒng)。其測(cè)試平臺(tái)，如圖2所示：激勵(lì)生成器(wgen)不斷隨機(jī)產(chǎn)生出不同的寄存器配置;通過(guò)Wishbone主設(shè)備行為模型(wb_mst)寫入給SD控制器;該控制器產(chǎn)生相應(yīng)的命令通過(guò)SPI總線發(fā)給SD卡行為模型。記分板負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較;斷言(SVA)實(shí)時(shí)地檢測(cè)定時(shí)器的行為是否符合規(guī)范;仿真工具也實(shí)時(shí)地計(jì)算著覆蓋率，并反饋給激勵(lì)生成器以決定是否繼續(xù)產(chǎn)生激勵(lì)。［6］

圖 2SD控制器的測(cè)試平臺(tái)

3 SoC系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證

隨著設(shè)計(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，片上系統(tǒng)(SoC)也越來(lái)越復(fù)雜。由于大量IP核的存在，設(shè)計(jì)可以重用這些IP核而大大簡(jiǎn)化，高效率、具有可重用性的驗(yàn)證方法對(duì)SoC設(shè)計(jì)尤其重要?，F(xiàn)在詳細(xì)講解一下如何結(jié)合各種驗(yàn)證方法，來(lái)組建一個(gè)可重用的驗(yàn)證平臺(tái)。

3.1 SoC系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試計(jì)劃

被測(cè)的SoC是一個(gè)基于Wishbone的無(wú)線通信系統(tǒng)，它包含了2個(gè)主設(shè)備和6個(gè)從設(shè)備。對(duì)應(yīng)Wishbone總線，傳輸總是由主設(shè)備發(fā)起，而且這兩個(gè)主設(shè)備均為處理器性質(zhì);也就是說(shuō)，它們具有幾乎相同的地位，都可以訪問(wèn)6個(gè)從設(shè)備。這樣，我們將驗(yàn)證分為3個(gè)階段：

第1階段，主設(shè)備只接微處理器的行為模型。其目的是，驗(yàn)證Wishbone總線結(jié)構(gòu)和各從設(shè)備連接的正確性。

第2階段，微處理器由一個(gè)Wishbone主設(shè)備行為模型代替。其目的是驗(yàn)證Wishbone的仲裁器以及兩主設(shè)備協(xié)同工作情況。

第3階段，連接真正的微處理器。其目的是，軟硬件協(xié)同仿真以模擬真實(shí)的系統(tǒng)。

這3階段中，第1階段任務(wù)比較重，隨機(jī)化測(cè)試為主，將驗(yàn)證SoC的大部分功能，確保系統(tǒng)的連接正確;第2階段比較難，除了基本的隨機(jī)化測(cè)試，還需要編寫部分的直接測(cè)試激勵(lì)，以保證覆蓋率;第3階段比較簡(jiǎn)單，主要是完成軟件和硬件的協(xié)同仿真流程，功能方面，只需測(cè)試一些經(jīng)典功能的例子。［6］

表2 無(wú)線通信SoC的測(cè)試列表

3.2 SoC系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試平臺(tái)

與設(shè)計(jì)相似，SoC的頂層驗(yàn)證像搭積木那樣，把模塊級(jí)的測(cè)試組件連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的測(cè)試平臺(tái)，如圖3所示：

圖3 無(wú)線通信SoC系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證平臺(tái)框圖

該測(cè)試平臺(tái)支持所有階段的驗(yàn)證，在不同階段，啟動(dòng)不同的激勵(lì)生成器即可。

4 總結(jié)

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)不斷、快速的發(fā)展，作為便攜式的存儲(chǔ)器，SD卡發(fā)展非常迅速，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。特別是現(xiàn)在精細(xì)到微納米工藝后，SoC系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更容易出現(xiàn)信號(hào)不完整、設(shè)計(jì)不完備等問(wèn)題。關(guān)于SoC芯片數(shù)據(jù)通路的正確性，要在短時(shí)間內(nèi)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。［2］SoC驗(yàn)證已經(jīng)成為整個(gè)流程中的重心。本文重點(diǎn)講述如何基于SystemVerilog、結(jié)合多種驗(yàn)證技術(shù)進(jìn)行SD控制器的模塊級(jí)和SoC系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證，介紹了驗(yàn)證策略、驗(yàn)證流程以及測(cè)試計(jì)劃和測(cè)試平臺(tái)。今后還需要努力研發(fā)新的驗(yàn)證方法及設(shè)備，并不斷完善SoC驗(yàn)證計(jì)劃和平臺(tái)。因此，SoC的驗(yàn)證任務(wù)越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。

［1］王欣(譯).高級(jí)驗(yàn)證方法學(xué)［M］.西安：電子科技大學(xué)出版社，2007.20-27.

［2］趙鵬，朱正學(xué)，李金才.SoC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)從實(shí)踐到提高［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.46-52.

［3］郭兵，沈艷，林永宏，韓磊.SoC技術(shù)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.68-81.

［4］王道憲，劉麗.SoC原理、實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.34-39.

［5］柴遠(yuǎn)波.現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.102-114.

［6］郭煒，郭箏，謝憧.SoC設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.43-57.

On the SoC Module Level and System Level Validation

YE Qiong-ru1，YANG Guan-lu2
(1.Information science and engineering college of Huaqiao University，F(xiàn)ujian，Quanzhou 362000;2.Department of Electronics Engineering，Liming Vocational University，F(xiàn)ujian，Quanzhou 362021)

SoC chip usually contains complex data access，which is very challenging for complex data access validation.Wireless communication SoC includes many function modules.In order to verify the correctness of the complex path of data，we need to verify each functional module at the module level.Since SoC verification has become the center of gravity in the process，it is the main task to develop new validation methods and equipment and constantly improve the SoC verification plan and platform.This essay，taking SD controller and chip system(SoC)as an example，showing SoC module level and system level validation，determines validation strategy and works out a test plan before creating test platform and testing the complex data.

SoC module level;SoC system level;SD controller;validation

TN47;TN407

A

1008-8156(2012)01-0057-04

2012-03-01

2012-03-12

葉瓊?cè)?1984-)，女，福建泉州人，黎明職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程系助教，學(xué)士。研究方向：電子與通信專業(yè)教學(xué)與研究。

本文系福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2009J01257)、廈門市科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：3502Z20093027)的研究成果。