FPGA的驗證平臺及有效的SoC驗證方法

張躍玲，張磊，汪健，王鎮(zhèn)

(1.北方通用電子集團有限公司 微電子部，蘇州 215163；2.63963部隊)

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張躍玲1，張磊2，汪健1，王鎮(zhèn)1

(1.北方通用電子集團有限公司 微電子部，蘇州 215163；2.63963部隊)

摘要:設(shè)計了一種基于FPGA的驗證平臺及有效的SoC驗證方法，介紹了此FPGA驗證軟硬件平臺及軟硬件協(xié)同驗證架構(gòu)，討論和分析了利用FPGA軟硬件協(xié)同系統(tǒng)驗證SoC系統(tǒng)的過程和方法。利用此軟硬件協(xié)同驗證技術(shù)方法，驗證了SoC系統(tǒng)、DSP指令、硬件IP等。實驗證明，此FPGA驗證平臺能夠驗證SoC設(shè)計，提高了設(shè)計效率。

關(guān)鍵詞:DSP；SoC系統(tǒng)；FPGA平臺；驗證技術(shù)

引言

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展以及EDA 設(shè)計水平的迅速提高, 基于IP(Intellectual Property) 進行SoC(System on Chip)芯片設(shè)計的能力和技術(shù)得到了大大的提高。在一些應(yīng)用中，需要處理的數(shù)據(jù)量不斷增大，并且處理時間也要縮短，數(shù)據(jù)運算更加復(fù)雜，內(nèi)嵌DSP核處理器的SoC技術(shù)能夠縮短處理時間并能進行大數(shù)據(jù)量的處理，提高可靠性,縮小體積，降低功耗。因此本文研究一種基于DSP的SoC芯片的FPGA驗證方法，并將整個系統(tǒng)包括DSP處理器、片上總線、ASIC、內(nèi)存模塊、I/O 外圍設(shè)備及其他IP模塊集成到一個芯片中。而在復(fù)雜的內(nèi)嵌DSP核的SoC 芯片的系統(tǒng)設(shè)計中, 為了保證SoC芯片設(shè)計的正確性, 驗證工作變得越來越重要, 也更加復(fù)雜。FPGA驗證是復(fù)雜芯片和SoC芯片設(shè)計驗證的一種有效手段，可以彌補軟件模擬仿真的不足，減少驗證時間，檢驗SoC的設(shè)計是否實現(xiàn)了設(shè)計規(guī)范確定的功能，從而提高SoC芯片流片成功率。

1基于DSP核控制的SoC系統(tǒng)

本文設(shè)計的SoC系統(tǒng)采用國內(nèi)自主研發(fā)DSP核，主要包括： DSP處理器核、片上AXI總線、PWM、事件捕獲器、看門狗控制、中斷控制器、復(fù)位管理、存儲模塊、I/O以及其他外設(shè)(UART、CAN、SPI等)模塊。這些模塊與DSP核之間通過AXI總線連接，進行數(shù)據(jù)通信。AMBA AXI的總線協(xié)議具有高性能、支持高頻傳輸、高速亞微型系統(tǒng)互連的特征，為主從結(jié)構(gòu)，一切觸發(fā)都由主設(shè)備發(fā)起。核間通信總線采用SoC系統(tǒng)中應(yīng)用最多的AXI總線結(jié)構(gòu)，比較靈活，可滿足對帶寬需求不同的各種IP。

基于DSP的SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　基于DSP的SoC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2SoC系統(tǒng)的FPGA驗證平臺

FPGA驗證平臺用于SoC芯片驗證，可以對大規(guī)模SoC系統(tǒng)的設(shè)計進行快速準(zhǔn)確的實時驗證，根據(jù)不同SoC規(guī)模容量，采用不同的FPGA硬件資源，硬件平臺建設(shè)也有所不同。由于FPGA具有靜態(tài)可編程和在線動態(tài)重構(gòu)特性，能夠使硬件功能電路同軟件程序一樣方便修改，使得FPGA驗證修改十分方便、實時性好，還可以縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。FPGA具有的這些特點使其成為通用的SoC功能驗證的器件，為SoC的系統(tǒng)原型驗證提供了一個非常合適的平臺。目前FPGA已經(jīng)從系統(tǒng)集成、系統(tǒng)存儲、系統(tǒng)時鐘和系統(tǒng)接口4個方面滿足了SoC芯片驗證的要求，為快速系統(tǒng)原型驗證提供了一個非常合適的平臺。本文的FPGA驗證平臺采用Xilinx Virtex-6 LX760器件，是建立在Xilinx Virtex6 FPGA板上的軟硬件聯(lián)合驗證系統(tǒng)，并用ISE13.3進行綜合和布局布線。另外，此FPGA硬件驗證平臺包括支持DSP程序下載的JTAG接口。

2.1FPGA硬件平臺搭建

硬件平臺搭建主要使用了兩個Xilinx Virtex-6 LX760 FPGA器件，具有15.2M個邏輯門。Virtex-6 LX760面向高端應(yīng)用，具有更多的時鐘和存儲資源，而且能夠支持更快的速度。通過分析,所選擇FPAG能夠滿足此SoC驗證使用，為了實現(xiàn)通用性，該FPGA硬件驗證平臺采用了子板和母板相結(jié)合的方式。在母板上設(shè)置有通用的FPGA芯片、相應(yīng)的PROM、系統(tǒng)全局時鐘的選擇和配置模塊、系統(tǒng)復(fù)位邏輯、FPGA芯片下載接口、與子板連接的connector接口等模塊。子板根據(jù)驗證需求，配置了JTAG調(diào)試子板，以提供DSP仿真器連接的調(diào)試接口。另外還設(shè)計配置了驗證EMIF訪問外部存儲設(shè)備通路的SRAM存儲器子板。為了方便測試和驗證EMIF接口功能，在這兩類測試子板上，都設(shè)有關(guān)鍵信號的測試探測點，以方便測試一些基礎(chǔ)的時鐘、復(fù)位信號以及其他探測信號。

2.2FPGA軟件環(huán)境搭建

在SoC 設(shè)計中，經(jīng)常會使用一些硬IP 核(如PLL、SRAM、ADC、USB transceiver 等)，而在采用FPGA驗證技術(shù)驗證ASIC及SoC設(shè)計的過程中，需要做ASIC設(shè)計原碼的轉(zhuǎn)換，所以首先需要對SoC進行修改，以適合FPGA的開發(fā)環(huán)境。如門控的處理，添加PLL對所需要的時鐘進行適當(dāng)?shù)姆?倍頻，存儲單元RAM、FIFO的替換，修改子模塊配置，特殊單元的處理等。還要根據(jù)特定的硬件平臺增加FPGA 相關(guān)時序Timing的約束和I/O引腳的指定約束，并搭建一個能夠自動仿真和驗證的環(huán)境。在FPGA驗證過程中主要使用ISE13.3內(nèi)置綜合工具或?qū)Ｓ镁C合工具對RTL進行編譯、綜合，生成網(wǎng)表。生成的網(wǎng)表可以生成bit文件，包括優(yōu)化、適配、bit文件生成等。進行靜態(tài)時序分析，檢查是否滿足預(yù)定的時鐘頻率要求，若不能滿足，則重新進行綜合編譯優(yōu)化。如果多次進行優(yōu)化仍不能滿足時序要求，則根據(jù)違反時序信息查找關(guān)鍵路徑，對RTL設(shè)計代碼進行修改優(yōu)化。

FPGA驗證軟件除了需要上述提到的綜合布局布線的軟件環(huán)境ISE13.3外，還需要FPGA內(nèi)部信號在線調(diào)試工具Chipscope，即時抓取一些內(nèi)部邏輯信號，分析內(nèi)部邏輯正確與否。在驗證調(diào)試階段，還需要DSP核下載調(diào)試軟件CCS3.3，以編寫控制處理器核DSP運行軟件的測試程序。

2.3軟硬件協(xié)同驗證系統(tǒng)

FPGA驗證SoC系統(tǒng)方法是軟硬件協(xié)同仿真和驗證，并搭建軟硬件協(xié)同驗證平臺系統(tǒng)。實現(xiàn)的基礎(chǔ)條件是能夠滿足工作要求的FPGA硬件平臺，以及有力的設(shè)計描述及編譯工具等軟件環(huán)境。而基于DSP控制的SoC驗證系統(tǒng)還需要DSP軟件程序開發(fā)環(huán)境及下載通路等。

2.3.1FPGA軟硬件協(xié)同驗證架構(gòu)

FPGA驗證是為了實現(xiàn)和驗證SoC芯片在實際硬件環(huán)境下的功能和運行工作情況。針對本文提出的基于DSP的SoC系統(tǒng)，搭建能夠?qū)崿F(xiàn)和驗證其DSP程序指令及內(nèi)部電路工作的軟硬件協(xié)同驗證系統(tǒng)平臺。建立的FPGA軟硬件協(xié)同驗證系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示。

其中包括FPGA原型驗證需要的Xilinx Virtex-6芯片的FPGA驗證母板、支持下載bit文件及驗證調(diào)試過程中需要的Xilinx FPGA編程器及下載線、能夠支持正確下載DSP激勵測試程序的DSP-JTAG調(diào)試子板、支持DSP芯片的仿真器、安裝有TI CCS軟件和 ISE13.3,以軟件及支持DSP芯片驅(qū)動的計算機。

圖2　FPGA軟硬件協(xié)同驗證系統(tǒng)的基本架構(gòu)

2.3.2驗證過程

軟硬件協(xié)同驗證過程分以下幾個步驟：

① 首先把要驗證的SoC系統(tǒng)由ISE13.3自動綜合及布局布線實現(xiàn)后生成相應(yīng)的FPGA位流文件，經(jīng)JTAG下載至構(gòu)建的FPGA驗證系統(tǒng)中的FPGA芯片或?qū)?yīng)的PROM中。

② 通過微機CCS開發(fā)界面編寫控制內(nèi)部DSP核運行的程序，完成程序啟動初始化、測試激勵程序編譯、開發(fā)驗證IP及系統(tǒng)需要的程序。

③ 通過DSP仿真器以實時的方式進行軟硬件協(xié)同驗證過程中的管理控制，通過編寫及測試程序的加載、運行、調(diào)試，實現(xiàn)對DSP核單步操作、連續(xù)運行等；通過設(shè)置正確中斷服務(wù)程序、設(shè)置斷點、觀測DSP核內(nèi)部寄存器及SoC配置寄存器值等分析DSP核運行及操作IP情況。

④ 通過不同的控制程序驅(qū)動運行相應(yīng)功能IP模塊及整個系統(tǒng)工作運行，驗證IP功能及不同IP之間的交互和總線競爭。

在驗證過程中可以根據(jù)IP功能及SoC系統(tǒng)特性使用示波器觀測引腳信號，利用Chipscope軟件抓取內(nèi)部信號來判斷邏輯關(guān)系及系統(tǒng)運行的準(zhǔn)確性，驗證DSP核、SoC系統(tǒng)及相應(yīng)IP功能；驗證系統(tǒng)各模塊間的相互操作、片上系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)相互流通功能；驗證所有IP集合協(xié)同運行情況；驗證整個系統(tǒng)的正確性。具體驗證流程圖可參見圖3。

3SoC系統(tǒng)及IP模塊功能驗證

對SoC系統(tǒng)及內(nèi)部IP功能模塊進行驗證，需要首先驗證FPGA軟件平臺及硬件平臺的正確性，才能在CCS環(huán)境下編寫控制DSP的程序以驗證SoC系統(tǒng)設(shè)計及各個功能模塊的正確性。CCS編程器與FPGA硬件平臺連接正確后，可通過下載編寫控制DSP內(nèi)核的程序，驗證DSP運行正確性，并通過編寫控制其他IP邏輯模塊驗證SoC系統(tǒng)內(nèi)部交互及IP邏輯設(shè)計。其中主要進行了下面幾種功能模塊劃分及其驗證，通過驗證功能模塊也進一步驗證了SoC系統(tǒng)及片上總線等設(shè)計的正確性。

3.1DSP核的驗證

通過CCS開發(fā)界面對DSP內(nèi)部寄存器進行讀寫操作并觀測DSP內(nèi)部寄存器的變化以實現(xiàn)驗證DSP的功能，分別對DSP內(nèi)部的Timer、GPIO、中斷寄存器等進行讀寫及功能驗證，并通過DSP控制其他各類寄存器以驗證DSP核的正確性。

3.2EMIF及片上儲存設(shè)備的驗證

利用DSP能夠正確讀寫片上存儲器設(shè)備及支持各類讀寫操作，對片上存儲設(shè)備進行驗證。為了驗證EMIF接口，在FPGA工程里對EMIF I/O口進行綁定約束使其與SRAM存儲器子板進行正確的連接，通過DSP對EMIF空間寄存器的控制，使DSP能夠正確地對連接在EMIF外的SRAM進行各類型的讀寫操作，可驗證EMIF接口設(shè)計。

圖3　基于DSP的SoC系統(tǒng)的FPGA驗證流程圖

本SoC系統(tǒng)中設(shè)計的EMFI接口模塊可以連接4個外部存儲空間CE0～CE3。通過ISE工具使用Xilinx Virtex-6芯片的FPGA IP core例化4個寬度為32位、深度為64位的SRAM,并且將它們連接到CE0～CE3空間接口上。在CCS中，初始化CE0～CE3空間接口，對各空間前16個地址寫數(shù)據(jù)，之后對這些地址進行讀操作。執(zhí)行單步調(diào)試命令，可以成功讀取CE0～CE3空間地址里面寫入的數(shù)據(jù)。DSP核指令代碼，首先配置全局控制寄存器，選擇DSP提供的系統(tǒng)時鐘，指令代碼寫全局控制寄存器：

*(int*)0x4000a000 = 0x00000000

配置CE0～CE3時鐘寄存器和空間寄存器:

*(int*)0x4000a004=0x00000004；*(int*)0x4000a008=0x00000006；

*(int*)0x4000a00C=0x00000008；*(int*)0x4000a010=0x0000000a；

*(int*)0x4000a014=0xffffffe6；*(int*)0x4000a018=0x1091c226；

*(int*)0x4000a01c=0x30d5c846；*(int*)0x4000a020=0x2251c736；

對各空間前16個地址寫數(shù)據(jù)，之后對這些地址進行讀操作的DSP核指令代碼：

for(i=0；i<16；i++){

*(int*)(0xC0060000+4*i) = (0x00000600+i)；

*(int*)(0xD0060000+4*i) = (0x00000700+i)；

*(int*)(0xE0060000+4*i) = (0x00000800+i)；

*(int*)(0xF0060000+4*i) = (0x00000900+i)；

}

for(i=0；i<16；i++)

{

temp_data = *(int*)(0xC0060000+4*i)；

temp_data = *(int*)(0xD0060000+4*i)；

temp_data = *(int*)(0xE0060000+4*i)；

temp_data = *(int*)(0xF0060000+4*i)；

}

運行DSP核指令代碼，觀察CE0～CE3寄存器的值，能夠成功進行讀寫,驗證了EMIF的正確性。

3.3事件捕獲、看門狗等功能模塊的驗證

圖4　驗證CPI模塊原理框圖

通過DSP操作控制看門狗邏輯模塊寄存器，看門狗能夠正確運行，并能夠正確影響復(fù)位模塊以驗證看門狗IP模塊。通過DSP正確操作CPI等寄存器，使CPI模塊產(chǎn)生中斷并發(fā)送至DSP，DSP能夠正確響應(yīng)中斷信號進行及時處理。為了方便驗證CPI功能，此SoC驗證CPI模塊把PWM產(chǎn)生波輸入到CPI模塊，配置CPI捕獲模式，當(dāng)CPI模塊輸入有變化時，進行捕獲產(chǎn)生中斷。當(dāng)發(fā)生中斷時，CPI_INT為高電平，當(dāng)DSP處理后會變?yōu)榈碗娖叫盘?。驗證方法原理如圖4所示。

在Chipscope中正確設(shè)置觸發(fā)條件并通過FPGA編程器及JTAG傳送到PC主機，可觀察其邏輯波形的正確性。CPI中斷事件圖略——編者注，可以看出，CPI_INT6從高電平到低電平的轉(zhuǎn)換，可說明DSP對CPI中斷事件進行了處理，并正確響應(yīng)外部中斷?？沈炞C正確設(shè)置CCS配置IP模塊寄存器后，IP硬件模塊能夠正常運行。

3.4PWM、SPI、CAN、UART等外設(shè)模塊

通過控制內(nèi)部寄存器，能夠產(chǎn)生正確的PWM波，分別在示波器及Chipscope上對一些信號進行采集及觀測分析，驗證其正確性，驗證方法和驗證CPI、EMIF相同。測試驗證結(jié)果表明其功能正確。其中結(jié)合示波器測試PWM波，驗證PWM設(shè)計的正確性，另外還使用相同方法驗證SPI、CAN、UART等各IP功能的正確性。

結(jié)語

本文以一個DSP處理器控制的SoC芯片的開發(fā)與驗證項目為例，介紹了關(guān)于FPGA的軟硬件協(xié)同驗證方法及過程，搭建FPGA驗證硬件平臺及軟件平臺環(huán)境， 并通過軟硬件協(xié)同驗證， 在線驗證調(diào)試SoC系統(tǒng)中邏輯及功能設(shè)計, 并對每個功能模塊進行了驗證分析。通過CCS輸入控制DSP程序進而控制SoC系統(tǒng)及內(nèi)部IP模塊，具有可觀測性及實時性，實驗結(jié)果表明，通過FPGA軟硬件協(xié)同驗證系統(tǒng)可以對目標(biāo)SoC芯片進行功能驗證及性能評估，縮短了基于SoC芯片的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)時間，提高了流片成功率，整個驗證平臺及方法具有較高的可靠性。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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張躍玲(設(shè)計師)，主要從事數(shù)字集成電路設(shè)計。

(責(zé)任編輯：薛士然收修改稿日期：2015-10-09)

Zhang Yueling1,Zhang Lei2,Wang Jian1,Wang Zhen1

(1.R&D Center in Suzhou,Northern General Electronics Group Co., Ltd.,Suzhou 215163,China;2.63963 Troops)

Abstract：A FPGA verification platform is designed and an effective verification way of SoC is introduced.The basic scheme of the FPGA verification system is shown,and the software and hardware verification platform is introduced.The verification process and method are discussed.Due to the software and hardware co-verification technique,it can verify the SoC system design,the DSP statement,the hardware IP and etc.The experiment results show that the verification platform can verify the SoC design and improve the design efficiency.

Key words:DSP;SoC system;FPGA platform;verification technique

中圖分類號:TN492

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A