SoC多語言協(xié)同驗證平臺技術(shù)研究

王紀(jì)，馮志華

（中國航天科工集團第二研究院706所，北京100854）

SoC多語言協(xié)同驗證平臺技術(shù)研究

王紀(jì)，馮志華

（中國航天科工集團第二研究院706所，北京100854）

SoC基于IP設(shè)計的特點使驗證項目中多語言VIP（Verification IP）協(xié)同驗證的需求不斷增加，給驗證工作帶來了很大的挑戰(zhàn)。為了解決多語言VIP在SoC驗證環(huán)境靈活重用的問題。提出了一種基于開放的多語言構(gòu)架庫的解決方案，詳述了多語言協(xié)同驗證技術(shù)的原理以及驗證平臺的搭建方法，并通過實例驗證了所提方案的有效性和靈活性。

片上系統(tǒng)；驗證知識產(chǎn)權(quán)核；多語言協(xié)同驗證；重用

隨著高級驗證方法學(xué)越來越多的成功應(yīng)用于實際的SoC驗證項目中［1］，產(chǎn)生了大量由不同語言、不同驗證方法學(xué)編寫的可重用組件；而且由于IP來自不同的EDA廠商，相應(yīng)的驗證IP也是由不同的廠商提供。僅在SoC驗證環(huán)境中重用由同一種語言和驗證方法學(xué)實現(xiàn)的組件或VIP，已經(jīng)不能滿足日益增長的SoC驗證需求［2］。如何靈活的重用多語言驗證組件、搭建SoC多語言協(xié)同驗證平臺已然成為熱點。

現(xiàn)有的多語言的解決方案分為兩種：一種是基于SystemVerilog DPI（Direct Programming Interface）直接引用外部語言程序的方法［3］；另一種是使用EDA廠商提供的多語言庫的方法［4］。前者驗證平臺無法對外部語言程序?qū)崿F(xiàn)配置，靈活性差［5］；后者則存在當(dāng)前使用的多語言庫針對語言種類單一，不能跨仿真器平臺的缺點［6］。

文中針對當(dāng)前多語言協(xié)同驗證解決方案存在的不靈活，支持的語言種類單一等特點，基于一種新的解決多語言問題的開源庫——UVM-ML OA（Universal Verification Methodology-Multi-Language Open Architecture library），詳述了多語言協(xié)同驗證的原理，并描述了搭建SoC多語言協(xié)同驗證平臺的過程，以一個具體的實例驗證了這種方法在靈活性和可重用方面的優(yōu)點。

1　UVM-MLOA簡介

UVM-ML OA庫是由AMD和Cadence公司聯(lián)合推出［7］，致力于解決多語言驗證組件的快速整合與重用。它提供的一些方法和工具能夠?qū)⒉煌Z言的驗證組件整合到一個大的驗證環(huán)境中。抽象驗證組件具體實現(xiàn)的語言與方法學(xué)，使多語言組件在同一驗證環(huán)境實現(xiàn)無差別的通信和配置。UVMML OA的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由開源的基類和多種構(gòu)架的多語言適配層組成。例如，SV（SystemVerilog）適配層，SC（SystemC）適配層等。

圖1　UVM-ML OA基本結(jié)構(gòu)Fig.1UVM-ML OA basic structure

構(gòu)架是指由同一種語言或驗證方法學(xué)實現(xiàn)的驗證組件的集合。構(gòu)架可能由硬件驗證語言（SystemVerilog）、建模語言（SystemC）或一般的編程語言（C/C++）實現(xiàn)。不同的構(gòu)架也可以由同一語言實現(xiàn)：例如，UVM和VMM都是由SystemVerilog編寫。

基類是兩個或更多構(gòu)架的連接路由，是整個星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中心點。提供不同組件間控制和數(shù)據(jù)通訊的API（Application Programming Interface）。這種CS（Client-Server）結(jié)構(gòu)能夠忽略具體的方法學(xué)和語言的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，協(xié)同不同構(gòu)架間的工作。

適配層是基類和構(gòu)架的連接層，提供與其對應(yīng)構(gòu)架連接到基類所必須的的API接口。

UVM-ML OA擁有包括多構(gòu)架結(jié)構(gòu)、事務(wù)級通信、分階段機制、跨構(gòu)架配置機制等特征，使其能夠很好的解決實際應(yīng)用中多語言的難題，靈活的搭建多語言協(xié)同驗證平臺［8］。

2　多語言協(xié)同驗證平臺原理

多語言協(xié)同驗證平臺由多種構(gòu)架的VIP組成。驗證平臺可能有一個或很多邏輯頂層，每一個頂層都是由不同構(gòu)架子組件組成的樹形結(jié)構(gòu)。每一棵樹都可能包含其他構(gòu)架的子樹。如圖2所示，構(gòu)架1的A組件是整個多語言協(xié)同驗證平臺的頂層。它除了實例化了A1、A2兩個同一構(gòu)架下的子組件外，還例化了一個構(gòu)架2下的子組件B。

圖2　不同構(gòu)架下的統(tǒng)一樹形結(jié)構(gòu)Fig.2Unified hierarchy in different frameworks

搭建多語言協(xié)同驗證平臺首先要將不同構(gòu)架的子組件實例到驗證平臺中，使整個驗證平臺形成一個統(tǒng)一的樹形結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)建立后，為了實現(xiàn)整個平臺的數(shù)據(jù)流動，不同構(gòu)架的組件需要建立事務(wù)級的通信。最后建立起跨構(gòu)架的可配置機制，增強多語言協(xié)同驗證平臺的靈活性。

2.1多構(gòu)架組件的整合

UVM-ML OA通過基類來實現(xiàn)父組件和外部子組件的連接，確保平臺間數(shù)據(jù)和控制請求被正確傳遞。每一個父組件通過各自構(gòu)架適配層的API與基類的API相連；然后基類再與子組件的相應(yīng)構(gòu)架適配層的API相連。這樣，經(jīng)由代理父節(jié)點和代理子節(jié)點建立起了不同構(gòu)架父組件和子組件的抽象連接。如圖3所示，還以構(gòu)架1的A組件為例：在構(gòu)架1的范疇內(nèi)，A正常的實例化了A1、A2兩個組件；而屬于構(gòu)架2的B子組件則如圖中虛線所示，經(jīng)由各自構(gòu)架的適配層和基類來完成在A中的實例化，完成多構(gòu)架組件的整合。

圖3　組件的跨構(gòu)架連接Fig.3Parent child relationship maintained through the backplane

要實例化一個不同構(gòu)架的子組件，有必要正確的指定外部組件的構(gòu)架類型和名稱，以及實例化后的實例化名。以SV適配層的API實例化外部構(gòu)架組件為例：使用下面的方法在SV環(huán)境中實例化其他構(gòu)架的組件。

其中，參數(shù)target_frmw_indicator是待實例化組件的構(gòu)架類型；參數(shù)component_type_name是待實例化組件的頂層模塊名；參數(shù)instance_name為組件的實例化名；參數(shù)parent指定當(dāng)前組件的父節(jié)點。

2.2事物級連接的建立

多構(gòu)架組件的通訊基于TLM（Transaction Level Modeling）接口［9］，UVM-ML OA的基類提供了指定的多語言接口庫，它維護著平臺運行時事物級交易所需的必要信息。多語言平臺中的TLM接口要跨構(gòu)架實現(xiàn)通信，有兩個步驟：首先TLM的端口或套接字必須在基類中注冊；注冊后將接口綁定，不同架構(gòu)組件間便可以經(jīng)由相應(yīng)的適配層和基類實現(xiàn)數(shù)據(jù)交易。

2.2.1注冊

注冊的多語言端口會在相應(yīng)的適配層中產(chǎn)生與基類進行數(shù)據(jù)流動的通道，適配層提供了相應(yīng)的底層結(jié)構(gòu)支持不同構(gòu)架與基類的連接。還以SystemVerilog構(gòu)架的API注冊TLM1端口和TLM2套接字為例。使用SV適配層的register方法實現(xiàn)注冊功能，register方法定義為：

static function void register（uvm_port_base#（uvm_tlm_if#（TRAN_T，P））sckt）；

其中參數(shù)sckt代表被注冊接口的全路徑名稱。

2.2.2綁定

接口被注冊后建立起了適配層與基類進行數(shù)據(jù)流動的通道。綁定則是在不同構(gòu)架的適配層與適配層、組件與組件之間建立連接。接口在基類中注冊后，接著進行接口之間的綁定。綁定時，需要為基類提供被綁定的兩個接口的全路徑名稱，基類會檢測兩個接口的合法性，然后將兩個接口的連接信息加入它的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫。以SC構(gòu)架的API綁定TLM1端口和TLM2套接字為例，使用uvm_ml_connect方法實現(xiàn)綁定。uvm_ml_connect方法的定義為：

其中，port_name是指port端口的全路徑名，如sc.env. port；export_name是export端口的全路徑名，如sc_env. export.name（）；map_transaction默認(rèn)為true。

2.3驗證平臺的配置

靈活的跨架構(gòu)配置機制是UVM-ML OA解決方案的一大特點。配置機制用來配置驗證平臺的眾多參數(shù)，在不同構(gòu)架和層次的組件間傳遞數(shù)據(jù)，增加平臺的靈活性。配置機制是分層次的，在平臺的樹形結(jié)構(gòu)中較高層次組件的配置信息會覆蓋低層次組件的配置信息。配置使用間接的方式：配置發(fā)起組件將配置數(shù)據(jù)傳遞到多語言基類中；被配置的外部構(gòu)架組件再從基類中獲取配置數(shù)據(jù)。

在多語言協(xié)同驗證平臺中，配置和獲取數(shù)據(jù)總是成對出現(xiàn)的。例如，在某個頂層組件中做配置操作，那么在平臺的驅(qū)動器組件就要做相應(yīng)的獲取操作。

2.3.1配置

一般來講，驗證平臺中每種構(gòu)架的組件只處理本構(gòu)架內(nèi)的配置操作。但在一個多語言驗證環(huán)境中，不同構(gòu)架的組件在整合到一個平臺并建立事物級連接后，配置數(shù)據(jù)也能夠經(jīng)由基類的API傳播到其他語言的構(gòu)架中。

以在SV構(gòu)架的組件配置其他子組件為例，使用uvm_config_*：：set（this，inst_name，field_name，value）函數(shù)來設(shè)置配置值。其中，inst_name參數(shù)是被配置子組件的名稱；field_name參數(shù)是子組件內(nèi)被配置對象的名稱；value參數(shù)代表了具體配置值。設(shè)置的配置值會在子組件的bulid階段傳遞給子組件。UVM-ML OA支持3種數(shù)據(jù)類型的配置：使用“uvm_config_int”方法配置整型值；使用“uvm_config_string”方法配置字符串；使用“uvm_config_objects”方法配置對象。

2.3.2獲取

在平臺運行期間，配置數(shù)據(jù)被傳遞基類中，相應(yīng)的目標(biāo)組件要有對應(yīng)的接收操作從基類中獲取配置數(shù)據(jù)。以e構(gòu)架組件中獲取配置值為例，使用get_config_*（field_name，value）方法獲取配置值。其中，參數(shù)field_name是組件內(nèi)的某一個被配置過的變量；value參數(shù)是配置值的存儲位置。與set方法類似，get方法也支持3種數(shù)據(jù)類型：使用“get_config_int”方法獲取整型值；使用“get_config_string”方法獲取字符串；使用“get_config_objects”方法獲取對象。

3　實用案例

上一節(jié)中，介紹了UVM-ML OA庫處理多語言協(xié)同驗證的原理，本節(jié)將以一個SoC多語言協(xié)同驗證項目中的UART模塊為具體實例，說明SoC多語言協(xié)同驗證平臺的實現(xiàn)方案，整個平臺的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　多語言驗證平臺結(jié)構(gòu)Fig.4Multi-language verification platform structure

作為整個SoC驗證項目的一部分，UART模塊經(jīng)由橋接器集成到整個SoC系統(tǒng)中。針對項目組手中擁有由廠商提供的SV的APB總線驗證IP和先前的驗證項目中留下的，由e語言實現(xiàn)的UART驗證IP。決定搭建多語言協(xié)同驗證平臺對UART模塊進行驗證。

如上圖所示，搭建多語言協(xié)同驗證平臺的關(guān)鍵在于：虛擬序列產(chǎn)生器如何驅(qū)動異構(gòu)組件的數(shù)據(jù)激勵、異構(gòu)組件的監(jiān)視器如何與平臺建立連接、異構(gòu)驗證組件在平臺中如何實現(xiàn)無差異的配置。

遵循前面章節(jié)多語言協(xié)同驗證平臺搭建的方法，主要步驟如下：

1）整合異構(gòu)組件：實例化異構(gòu)組件到頂層是整個平臺搭建的基礎(chǔ)。將e語言構(gòu)架組件整合到SV環(huán)境中，需要在SV構(gòu)架的testbench文件中實例化e構(gòu)架的頂層文件e_uart_top。這樣就把所有的組件整合到一個統(tǒng)一的樹形結(jié)構(gòu)中，部分代碼如下。

function void build_phase（uvm_phase phase）；

super.build_phase（phase）；

//建立多語言組件連接節(jié)點

etop=uvm_ml_create_component（"e"，"e_uart_top"，" e_uart_top"，this）；

...

endfunction

2）事物級接口的連接：將不同構(gòu)架的組件整合到一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)中后，序列產(chǎn)生器和監(jiān)視器要通過TLM接口與SV架構(gòu)的驗證頂層建立事物級的連接。

這里通過使用register方法和connect方法建立事物級的連接。以激勵產(chǎn)生器的連接為例，部分代碼如下。

//建立階段

seqr_proxy=ml_sequencer_proxy：type_id：create（" seqr_proxy"，this）；

...

class my_env extends uvm_component；

...//連接階段

uvm_ml：connect（｛e_seqr，"b_isocket"｝，

my_uvc.seqr_proxy.b_target_socket.get_full_name（））

…

endclass

3）跨架構(gòu)配置驗證平臺：配置平臺的參數(shù)可以增加平臺靈活性，動態(tài)的控制平臺的運行。在這個案例中，在頂層配置e構(gòu)架UART驗證組件的address參數(shù)，驗證平臺運行過程中觀察測試結(jié)果。部分代碼如下。

//頂層的配置操作

uvm_config_int：set（this，"uvm_test_top.testbench. e_uart_top.e_env.e_seqr"，"address"，'h7f）；

super.build_phase（phase）；

...

//e構(gòu)架的序列產(chǎn)生器獲取配置數(shù)據(jù)

unit e_seqr｛

keep uvm_config_get（address）；

...

｝

經(jīng)過上面幾個步驟，完成了SOC驗證項目中UART模塊的多語言協(xié)同驗證平臺的搭建，使用IES仿真后的部分結(jié)果如圖5所示。

圖5　仿真結(jié)果Fig.5Simulation results

實驗結(jié)果表明，UVM-ML OA被成功應(yīng)用于SoC多語言協(xié)同驗證項目中，對于多語言驗證IP的重用提供了一種有效地解決方案。驗證IP由EDA公司提供，或來自于項目組長期積累的成熟模塊，它們的重用提高了驗證的可靠性和可信度。

4　結(jié)束語

文中基于UVM-ML OA呈現(xiàn)了一種全新的SoC多語言協(xié)同驗證的解決方案。詳細(xì)講述了多語言協(xié)同驗證的原理，并基于實際案例闡述了解決方案的有效性和靈活性。結(jié)果表明UVM-ML OA能有效的應(yīng)對實際應(yīng)用中SoC驗證面臨的多語言協(xié)同驗證問題，為驗證人員提供了更可靠、更靈活的多語言驗證解決方案。

［1］王嘉良.SoC可重用驗證平臺研究與開發(fā)［D］.上海：東華大學(xué)，2011.

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［3］Aynsley J.SystemVerilog Meets C++：Re-use of Existing C/ C++Models Just Got Easier［C］//Design and Verification Conference&Exhibition（DVCon）.San Jose，CA：Accellera，2010：255-262.

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［9］F.Hannes，S.Kishore.Multi-Language Verification：Solutions forRealWorldProblems.［C］//DesignandVerification Conference&Exhibition（DVCon）.India：Accellera，2014：63-70.

Research of SoC multi-language co-verification platform technology

WANG Ji，F(xiàn)ENG Zhi-hua
（Institute 706，Second Academy of China Aerospace Science and Industry Corporation，Beijing 100854，China）

The characteristic of SoC based on IP design makes the verification projects increase the demand for multi-language VIP（Verification IP）Co-verification，which has brought great challenges to the verification work.In order to solve the problem of the multi-language VIP be flexible reused in SoC verification environment.Proposes a solution which is based on an open source multi-language Framework Library，detailed multi-language co-verification technology and the method of building the verification platform，and through a example demonstrates the effectiveness and flexibility of the proposed approach.

SoC；VIP；Multi-Language；co-verification；reuse

TN406

A

1674-6236（2015）20-0130-04

2015-01-08稿件編號：201501062

中國人民解放軍總裝備部預(yù)研基金（513150502）

王紀(jì)（1990—），男，安徽宿州人，碩士研究生。研究方向：嵌入式設(shè)計與驗證。