以覆蓋率為導(dǎo)向的自動化驗證平臺

王紅衛(wèi) 占楊林 梁利平

（中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029）

隨著大規(guī)模集成電路系統(tǒng)設(shè)計的飛速發(fā)展，集成規(guī)模日益龐大，集成功能日益復(fù)雜。芯片驗證在芯片研發(fā)中所占的比例越來越重，占據(jù)了整個研發(fā)周期的70%以上[1]。芯片驗證已成為整個芯片流程中的瓶頸，驗證的完備性和驗證效率的提高成為驗證的難點，也是目前驗證的主要研究方向。

目前，數(shù)字芯片設(shè)計驗證領(lǐng)域在驗證技術(shù)、驗證方法學(xué)、驗證語言、IP核重用驗證、驗證流程及評估等方面都取得了巨大的進(jìn)步。但是，驗證技術(shù)已經(jīng)落后于設(shè)計和制造能力，成為整個數(shù)字芯片領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸，制約了設(shè)計生產(chǎn)率的提高。隨著驗證技術(shù)的逐步發(fā)展，現(xiàn)在以測試向量自動生成技術(shù)（Testautomation）為代表的高級驗證技術(shù)[2]已逐步取代傳統(tǒng)的基于直接檢測（Direct-test）的驗證技術(shù)，而在高復(fù)雜度數(shù)字芯片設(shè)計中發(fā)揮越來越重要的作用。此外，EDA行業(yè)也提出了種種新的驗證方法，包括基于覆蓋率的驗證方法，軟硬件協(xié)同驗證的方法，基于斷言的驗證方法等。針對具體的系統(tǒng)實現(xiàn)，選擇合理的驗證方法，可以大大減少驗證的時間。

本文闡述了Diamond多核DSP處理器系統(tǒng)所采用的將測試向量自動生成的驗證技術(shù)和基于覆蓋率為導(dǎo)向相結(jié)合的驗證方法[3]，并加入了高可觀測性的自動檢測機(jī)制，建立了一個可重用的自動化驗證平臺。

1 DUT概述

Diamond 處理器是一種可以和32位通用RISC處理器無縫連接的DSP處理器。整個處理器兼容通用32位CPU指令集，同時具有自己完整功能的DSP擴(kuò)展指令集，使得整個處理器既可以作為CPU使用，也可以作為DSP使用。

本文中的DUT是Diamond處理器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路（Datapass）部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它內(nèi)部由Decode_32、ALU、MUL、LDST、DAG、Reg_pool組成。Decode_32模塊完成32位指令的譯碼，轉(zhuǎn)換成11位編碼分配給各個運算模塊。ALU模塊處理加減、移位等邏輯運算指令功能。MUL模塊主要處理乘法、乘累加等乘法類指令功能。LDST模塊完成memory的數(shù)據(jù)存儲功能。DAG模塊主要完成memory地址運算的功能。Reg_pool是系統(tǒng)的寄存器堆，所有指令的數(shù)據(jù)都要從這里讀出，運算結(jié)果最終也要寫回到這里。

整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路主要是由這幾個模塊通過分配好的流水級進(jìn)行指令的譯碼，數(shù)據(jù)和地址的運算，最終寫回到寄存器堆中相應(yīng)的寄存器中。

圖1 Diamond DSP處理器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通路簡圖

2 驗證平臺的設(shè)計

根據(jù)DSP處理器系統(tǒng)的特性及驗證需求，設(shè)計的平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。各個模塊的功能如下文描述。

2.1 Makefile

Makefile是用于自動編譯并優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)的UNIX統(tǒng)一體。用這個文件來組織我們的驗證環(huán)境，能夠方便地指定仿真庫和模式、網(wǎng)表路徑、配置仿真模式、控制仿真波形的開關(guān)、重命名log文件等功能[4]。DSP自動驗證環(huán)境集成了兩種驗證方式：Special方式和Random方式。只需要輸入相應(yīng)的命令make special或make random，自動生成相應(yīng)的log文件和wave文件，方便快速定位錯誤并修正bug。

2.2 Run script

它是一個腳本文件，主要用于設(shè)置本地仿真環(huán)境、創(chuàng)建目錄文件并復(fù)制環(huán)境、更新模塊文件、運行仿真等功能。

2.3 Vector file

向量文件是所有測試激勵的集合，在DSP自動化驗證平臺中，采用受約束的隨機(jī)激勵為主，定向激勵為輔的驗證策略。我們有兩種不同的測試向量：自動生成的隨機(jī)測試向量[5]和根據(jù)DSP指令編寫的定向測試向量。隨機(jī)測試向量是用C語言編寫的偽隨機(jī)生成程序自動產(chǎn)生的32位指令編碼，指令之間滿足DSP系統(tǒng)中的指令約束關(guān)系，測試的覆蓋范圍比定向測試要全面，比完全隨機(jī)測試覆蓋點準(zhǔn)確，有效地縮短達(dá)到目標(biāo)覆蓋率的時間。定向測試向量是由我們?nèi)藶榫帉懀ㄟ^對覆蓋率的分析，會得出一些驗證上的功能“遺漏點”，這些“遺漏點”是偽隨機(jī)生成程序無法覆蓋到的功能點，通過定向測試向量的添加能夠提高整體的覆蓋率。

2.4 Regression.pl

它是一個perl腳本[6]文件，主要用于生成固定格式的report文件，重命名及保存生成的log文件和波形文件。

2.5 Dump.v

波形控制文件dump.v主要通過調(diào)用VCS自帶的波形操作函數(shù)，保存仿真波形，為方便驗證打開或者關(guān)閉某些模塊的波形保存等等。

2.6 Hier_cov.file

主要用于指定覆蓋率收集的層級關(guān)系，其中包括添加或者刪除某些模型的覆蓋率收集操作等等。

2.7 SDF文件

SDF文件用于后仿，它包括單元延時，設(shè)置并保存檢測的時序信息,

2.8 Model

Model是驗證人員根據(jù)待測芯片的功能行為描述編寫的效仿模型，通過測試激勵的輸入把Model中的輸出作為期望結(jié)果與待測芯片中得到的輸出結(jié)果進(jìn)行比較，對芯片進(jìn)行功能驗證。

圖2 自動化驗證平臺結(jié)構(gòu)圖

2.9 Design monitor

該驗證環(huán)境設(shè)置了一個監(jiān)視器，主要是用來監(jiān)視DUT輸出的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是自動檢測機(jī)制無法檢查到的。比如控制指令之間數(shù)據(jù)相關(guān)的stall信號，如果有問題，就會第一時間被監(jiān)視器捕捉到并顯示在log文件里。

2.10 Autocheck機(jī)制

自動檢測機(jī)制主要有兩個功能：

一是檢查經(jīng)過指令譯碼后的DUT中11位指令編碼與驗證平臺中的編碼是否相同，保證進(jìn)入下層模塊的指令正確性。

二是對數(shù)據(jù)的比較，首先是測試生成程序?qū)拇嫫鞫训某跏蓟蹬c驗證環(huán)境中的寄存器值相比較，這是對輸入數(shù)據(jù)的比較，只有保證輸入的正確性，才能進(jìn)行之后數(shù)據(jù)的比較。其次是DUT輸出的結(jié)果與驗證環(huán)境得到的期望結(jié)果之間的比較。這種三方之間的比對機(jī)制，保證了DUT功能的正確性。

2.11 Simulation log file

仿真log文件是仿真的輸出，包括了cycle、data、engine控制信息，我們可以通過log文件的信息找到出錯的寄存器以及時間點，從而快速定位bug。

3 以覆蓋率為導(dǎo)向的驗證方法

以覆蓋率為導(dǎo)向的驗證方法（Coverage-Driven Verification）[7]是根據(jù)功能覆蓋點來測量驗證進(jìn)度，這些功能覆蓋點可以確定一個功能是否被驗證過。這樣，驗證的目標(biāo)變?yōu)樘顫M設(shè)計的功能覆蓋模型。以覆蓋率為導(dǎo)向的驗證方法可以直接測試平臺來填滿這個功能覆蓋率模型，或者可以讓一個隨機(jī)的測試平臺生成測試集驗證功能。

在自動化驗證環(huán)境中，我們通過將隨機(jī)測試生成程序產(chǎn)生的偽隨機(jī)測試向量作為測試激勵，反復(fù)不斷地進(jìn)行指令的隨機(jī)測試，得到覆蓋率信息，因為測試向量是根據(jù)偽隨機(jī)序列機(jī)制生成的，肯定會有一些功能點沒有覆蓋到。此時通過對覆蓋率的分析可以確定哪些功能點已經(jīng)覆蓋，哪些測試激勵是多余的，為功能“遺漏點”添加定向測試向量進(jìn)行覆蓋并消除冗余的測試激勵，進(jìn)而提高覆蓋率。圖3為以覆蓋率為導(dǎo)向的驗證方法的流程，整個流程包括兩個環(huán)路，在實際應(yīng)用中，可能需要多次迭代才能完成驗證。

圖3 以覆蓋率為導(dǎo)向的驗證流程圖

4 驗證過程與結(jié)果分析

4.1 驗證過程與結(jié)果

驗證DSP數(shù)據(jù)通路（Datapass）仿真出來的存儲類指令讀寫memory操作部分波形如圖4所示。自動檢測機(jī)制會檢查DUT的輸出結(jié)果，將該結(jié)果與驗證平臺中得到的期望結(jié)果進(jìn)行比較，如果相等，說明DUT中存儲類指令讀寫memory的操作功能是正確的。同理可以檢查其它操作的驗證結(jié)果。驗證過程中采用了在生成的log文件中根據(jù)是否存在錯誤報告來判斷設(shè)計時都存在缺陷，免去了直接從仿真波形上查到錯誤的繁瑣性。如果仿真過程中報出錯誤，但從log文件上看不出錯誤原因，那么就要通過仿真波形來觀察錯誤發(fā)生的原因。根據(jù)芯片支持多種類型指令操作的特性，而且指令之間會存在數(shù)據(jù)相關(guān)等問題，為了提高驗證的效率，我們開發(fā)了自動生成程序，用于生成受約束的隨機(jī)測試向量，覆蓋到了絕大部分指令功能，通過多次回歸測試[8]，分析覆蓋率，為隨機(jī)測試未覆蓋到的指令功能添加定向測試向量，所有的測試向量全部通過并且使覆蓋率達(dá)到了100%。

圖4 存儲類指令讀寫memory操作部分波形圖

4.2 第三方軟件仿真結(jié)果比較機(jī)制

該驗證平臺中除了傳統(tǒng)的兩方對比機(jī)制外，還添加了軟件模擬器生成的測試結(jié)果比較，在仿真運行過程中，通過調(diào)用系統(tǒng)指令SystemCall可以在仿真過程中檢測測試結(jié)果的正確與否，該軟件模擬器由SystemC編寫完成，同樣是根據(jù)設(shè)計中的約束進(jìn)行配置，它帶來的好處是防止DUT與測試環(huán)境產(chǎn)生同樣的錯誤而導(dǎo)致出現(xiàn)同樣的錯誤結(jié)果；另一方面也提高了功能驗證中的完善性和正確性。第三方結(jié)果比較機(jī)制的添加，使驗證人員能夠及時發(fā)現(xiàn)驗證環(huán)境中無法發(fā)現(xiàn)的功能遺漏點，縮短了驗證周期，節(jié)省了人力物力。

4.3 驗證平臺的可重用性

本文設(shè)計的驗證平臺結(jié)構(gòu)清晰，模塊間相對獨立。在驗證其它DUT時，驗證平臺中的監(jiān)視器，自動檢測機(jī)制可以直接復(fù)用[9]，而驗證環(huán)境中的功能模塊可以根據(jù)DUT的特性加以修改便可重用。這樣可以節(jié)省重新編寫代碼的時間，加速了驗證的進(jìn)程。

5 結(jié)論

以覆蓋率為導(dǎo)向的DSP自動化驗證平臺，借助于隨機(jī)測試向量生成的自動化，使驗證工人員不需要手工編寫繁雜的測試向量，數(shù)據(jù)比對過程完全自動化，省去了人工比對波形的繁復(fù)工作。另外，平臺中添加以覆蓋率為導(dǎo)向的驗證策略，保證了功能覆蓋的完全。經(jīng)過分析可以看出，該驗證平臺模塊化強(qiáng)、易于理解和重用，驗證過程自動化，能夠有效地提高驗證效率，確保驗證功能的完整性。

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[2] 董楊鑫，鄭建宏.基于斷言的SoC設(shè)計驗證方法[J].電子測試，2007（2）：52-55.

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[4] 陳皓.跟我一起寫Makefile. [EB/OL].[2012-06-18].http://www.Cublog.cn/u/19881/upfile /060718103303.pdf.

[5] Carl Pixley, Aruna Chittor, Fred Meyer. Functional Verification 2003:Technology, Tools and Methodology. [C]// Proc. ASIC, 2003.[S.l.]:IEEE Press, 2003:1-5.

[6] Randal L.Scbwartz, Tom Pboenix.Perl語言入門[M] 南京：東南大學(xué)出版社，2009.

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[9] O.Petlin，A. Genusov, L. Wakeman. METHODOLOGY AND CODE REUSE IN THE VERIFICATION OF TELECOMMUNICATION SOCs [C]// Proc. 13th Annual IEEE International ASIC/SOC Conference, 2000.[S.l.]:IEEE Press, 2000:187-191.