基于UVM 的Wishbone-SPI 驗(yàn)證平臺設(shè)計(jì)

劉森態(tài)，龐宇，魏 東

（重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

基于TestBench 的傳統(tǒng)芯片驗(yàn)證方法，對人員的驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)要求高，且平臺可移植性差，難達(dá)到預(yù)期覆蓋率，不適于快速迭代芯片設(shè)計(jì)市場[1]。目前，UVM 已是IC 驗(yàn)證領(lǐng)域主流的方式，它由SystemVerilog 語言編寫，具有面向?qū)ο螅∣bject Oriented Programming，OOP）的特點(diǎn)，擁有豐富的組件和基類，完善的通信機(jī)制，繼承并克服開源驗(yàn)證方法（Open Verifcation Methodology，OVM）沒有寄存器的解決方案，可以根據(jù)驗(yàn)證需求，快速地搭建工程[2-3]。

串行外設(shè)接口SPI（Serial Peripheral Interface） 是由Motorola 公司定義一種單主機(jī)多從機(jī)全雙工的模式通信，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下由主入從出數(shù)據(jù)線（Master Input Slave Output，MISO）、主出從輸入數(shù)據(jù)線（Master Output Slave Input，MOSI）、串行時(shí)鐘信號線（Serial Clock，SCK）和從機(jī)選擇信號線（Slave Select，SS）共4 種引腳組成。該接口可與模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC 和外部存儲器等芯片通信，是SoC（System on Chip）最主要的外設(shè)接口之一。

Wishbone 總線是由Silicore 提出的，現(xiàn)由OpenCore 組織維護(hù)管理，是SoC 三大總線標(biāo)準(zhǔn)之一[4]。Wishbone 總線是一種IP 核（Intellectual Property Core）互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)，它定義IP 核之間公共接口，減輕系統(tǒng)組件集成難度，提高系統(tǒng)組件可重用性、可靠性和可移植性，兼容所有綜合工具，可用多種硬件描述語言實(shí)現(xiàn)[5]。Wishbone 總線為IP 核提供點(diǎn)到點(diǎn)、數(shù)據(jù)流、共享總線和交叉開關(guān)這四種互聯(lián)方式滿足不同模塊的通信需求。

本文驗(yàn)證的模塊是由Wishbone-SPI 搭建的一個(gè)子系統(tǒng)，并著重闡述模塊設(shè)計(jì)、驗(yàn)證環(huán)境搭建、寄存器模型生成、驗(yàn)證流程、激勵用例開發(fā)以及功能覆蓋率統(tǒng)計(jì)，最終對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

1 Wishbone-SPI 模塊設(shè)計(jì)

SPI 作為MCU 芯片重要外設(shè)，在芯片內(nèi)完成串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換與并行數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)換[6]。該模塊有多種傳輸模式，其最大輸出時(shí)鐘為系統(tǒng)輸入時(shí)鐘的一半。不同SPI模塊的最大時(shí)鐘需求不同，需要用時(shí)鐘控制模塊來調(diào)節(jié)通信頻率。

1.1 Wishbone 總線接口

Wishbone 總線信號接口分為公共信號、數(shù)據(jù)信號和總線周期信號。

公共信號包括復(fù)位信號rst 和時(shí)鐘信號clk，它們對于主設(shè)備和從設(shè)備都是公共的。

總線控制信號有錯誤信號err，重試信號rty，響應(yīng)信號ack，讀寫使能信號we，中斷請求信號int，選通信號stb，總線周期信號cyc，位寬信號sel。

數(shù)據(jù)信號包括地址信號addr，數(shù)據(jù)發(fā)送信號dat_o，數(shù)據(jù)接收信號dat_i。

Wishbone 支持多種單周期讀/寫，塊讀、讀修改寫。以單周期寫為例，如圖1 所示，在clk 上升沿a 時(shí)刻，主設(shè)備設(shè)置位寬sel 信號將地址信號addr 和待寫入數(shù)據(jù)dat發(fā)送到總線上，拉高we，同時(shí)將cyc 和stb 置高，開始一次總線的寫操作。在時(shí)鐘上升沿a 到達(dá)前，從機(jī)設(shè)備檢測到主設(shè)備的寫操作，鎖存總線上的數(shù)據(jù)，同時(shí)拉高ack作為對主設(shè)備的響應(yīng)。從設(shè)備可以在ack 有效之間插入任意周期的等待狀態(tài)。在clk 上升沿b 時(shí)刻，主設(shè)備發(fā)現(xiàn)ack 為高，將stb 和cyc 置低表示操作完成。從設(shè)備發(fā)現(xiàn)stb 為低后將主設(shè)備ack 也置低。一次Wishbone 寫操作便完成。

圖1 Wishbone 單次寫操作

1.2 SPI 模塊

考慮到SPI 協(xié)議接口信號具有不同通信模式的特點(diǎn)，SPI 模塊設(shè)計(jì)采用基于狀態(tài)機(jī)的方法，SPI 模塊基本設(shè)計(jì)框架如圖2 所示。控制寄存器是SPI 模塊的核心，用于控制SPI 通信方式，主要監(jiān)視Wishbone 總線上的讀寫命令，根據(jù)讀寫命令調(diào)用控制狀態(tài)機(jī)，進(jìn)而控制數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。分頻器寄存器將模塊的輸入時(shí)鐘分頻后用于時(shí)鐘產(chǎn)生輸出SCK，從而靈活地選擇外設(shè)頻率。狀態(tài)寄存器反映模塊內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)，如發(fā)送完成標(biāo)志，讀寫完成標(biāo)志。數(shù)據(jù)寄存器存放待發(fā)送到芯片或接收來自于外部模塊的數(shù)據(jù)。循環(huán)冗余校驗(yàn)（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗(yàn)器判斷傳輸數(shù)據(jù)是否正確，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)將產(chǎn)生CRC 校驗(yàn)碼并附加到數(shù)據(jù)后面，接收數(shù)據(jù)時(shí)則自動計(jì)算CRC 校驗(yàn)碼并與總線數(shù)據(jù)上的校驗(yàn)碼進(jìn)行比較得出結(jié)果并反映到狀態(tài)寄存器中。

圖2 Wishbone-SPI 框圖

2 UVM 驗(yàn)證平臺

2.1 主要通用驗(yàn)證組件

基本的UVM 平臺包括以下部分：Test 是最頂層的類，首要負(fù)責(zé)驗(yàn)證平臺的配置，創(chuàng)建下一級別的驗(yàn)證組件，可以用來啟動Sequence 開始仿真。Environment 是一個(gè)容器，包含較高級別驗(yàn)證組件，包括Agent、Scoreboard、Config以便更高層次的復(fù)用。Agent 是一個(gè)將Driver、Monitor、Sequencer 三個(gè)組件進(jìn)行封裝的容器組件，方便相同功能的組件多次例化和復(fù)用。Driver 是將sequence 中的數(shù)據(jù)包發(fā)送到DUT 引腳上的組件，會根據(jù)特定的協(xié)議轉(zhuǎn)化為時(shí)序激勵。Monitor 用來觀察接口上的數(shù)據(jù)或信號，可以通過事務(wù)極傳輸模型（Transaction-Level Modeling，TLM）將信號發(fā)送到其他組件上。Sequencer 管理不同類型的Sequence，并帶有仲裁的功能。Sequence 定義了需要發(fā)送或接收驅(qū)動器Driver 的數(shù)據(jù)類型，需要掛載到相應(yīng)的Sequencer，是驗(yàn)證平臺中流動的血液。Scoreboard 接收來自Monitor 的數(shù)據(jù)值并且與期望值進(jìn)行比較。接口Interface包含了連接、同步和兩個(gè)或者多個(gè)模塊之間的通信。

如圖3 所示，本次設(shè)計(jì)中驗(yàn)證環(huán)境Wishbone2spi_env中包含Scoreboard、Coverage、Predictor、Agent 和Transaction。Agent 內(nèi)Driver、Monitor 和Sequencer 通過TLM 通信。在Sequencer 幫助下，頂層仿真序列Sequence 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型送給Driver?？偩€上的讀寫操作激勵將廣播到Predictor上。Predictor 根據(jù)DUT 配置和Wishbone 總線上的輸入來傳輸SPI 的激勵。Predictor 輸出發(fā)送到Scoreboard上，并與DUT 的輸出結(jié)果進(jìn)行比對。Coverage 記錄SPI 操作的功能覆蓋率。Virtual_sequencer 控制不同的Sequencer，起統(tǒng)一調(diào)度的作用[7]。平臺中有3 個(gè)Sequencer，一個(gè)是寄存器模型的數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)是控制Wishbone 到SPI 的數(shù)據(jù)，還有一個(gè)則是控制SPI 到Wishbone 的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

圖3 SPI 驗(yàn)證環(huán)境

通常DUT 的接口數(shù)量不定，為滿足芯片驗(yàn)證需求，加快驗(yàn)證的準(zhǔn)備速度，通常相同功能驗(yàn)證組件封裝在Agent 容器內(nèi)。如圖4 所示，通過在Env 組件內(nèi)的config配置不同Agent 的config 屬性，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證環(huán)境集成多路接口驅(qū)動，并同時(shí)使用，滿足驗(yàn)證的不同需求。

圖4 多驅(qū)動驗(yàn)證平臺

2.2 RAL 模型

寄存器抽象層（Register Abstraction Layer，RAL）是一種中心化管理寄存器配置的模型[8]，其核心思想是把需要驗(yàn)證的所有寄存器封裝在一個(gè)統(tǒng)一模型內(nèi)，通過映射完成對寄存器的驗(yàn)證工作。RAL 模型一般包括不同寄存器的地址和不同位寬的功能段域，其中段域是控制模塊功能的最小單位，多個(gè)段域組成一個(gè)功能寄存器。使用RAL 模型一般使用腳本語言進(jìn)行管理，可以在大規(guī)模芯片設(shè)計(jì)中減少手動檢查寄存器的時(shí)間，避免寄存器配置錯誤，實(shí)現(xiàn)平臺復(fù)用性。

UVM 中對寄存器的訪問方式包括前門訪問和后門訪問。前門訪問是在總線上模擬時(shí)序，進(jìn)而在寄存器模型上進(jìn)行讀寫操作，是真實(shí)的物理操作。而后門訪問是利用UVM 中的內(nèi)置方法，將寄存器的操作直接作用到DUT 內(nèi)的寄存器變量，比起前門訪問速度更快，段域值修改更便捷。前門訪問方式使用轉(zhuǎn)換器（adapter）類來充當(dāng)不同抽象層轉(zhuǎn)化媒介。該類將寄存器激勵信息轉(zhuǎn)化后發(fā)送到總線上，最后由總線上的driver 完成轉(zhuǎn)化?？刂萍拇嫫鹘Y(jié)構(gòu)如表1 所示。

表1 控制寄存器

RES（Reserved）域?yàn)楣δ鼙Ａ?，只能讀；BIDIMODE（Bidirectional data mode enable）為雙向通信方向，寫1 時(shí)表示雙向傳輸，為0 時(shí)是單向傳輸。BIDIOE（Output enable in bidirectional mode）域用于雙向通信模式下的傳輸方向；CRCNEXT（CRC transfer next）表示下一次傳輸為CRC。CRCEN（Hardware CRC calculation enable）開啟硬件CRC。MSTR（Master selection）為主、從模式選擇。IE（Interrupt enable）域表示中斷使能；LSB（Least Significant Bit）域表示最低有效位收/發(fā)比特位置順序；SPE（SPI Enable）域表示SPI 使能。CPOL 與CPHA 組合控制著SPI 傳輸?shù)乃姆N模式。下面以SPI 的控制寄存器SPCR 為例，驗(yàn)證平臺的寄存器縮略代碼如圖5 所示。

圖5 控制寄存器驗(yàn)證代碼

依據(jù)模塊功能手冊，寄存器每個(gè)域配置主要包括位域所屬的寄存器、段域的位寬大小、該段域最低位在寄存器中的位置、訪問方式、段域是否易變、復(fù)位后的默認(rèn)值、能否復(fù)位以及能否單獨(dú)訪問。其中訪問方式主要指讀 寫RW（Read Write）、只 讀RO（Read Only）、只 寫WO（Write Only）等。

本次設(shè)計(jì)包含了12 個(gè)SPI 寄存器，如表2 所示，除了控制寄存器，還有狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器等。每個(gè)寄存器位寬均是32位，偏移地址依次以4 遞增。發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器共享地址，通過控制寄存器中的讀寫標(biāo)志區(qū)分。在傳輸啟動前，寫數(shù)據(jù)寄存器，則發(fā)送數(shù)據(jù)；在完成傳輸后接收MISO 上的數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)寄存器。Wishbone 總線上以前門訪問的方式來配置SPI 的功能。通過后門訪問方式讀取寄存器里的值，最后比較寫入值和期望值是否一致。

表2 SPI 寄存器堆

寄存器模型驗(yàn)證流程如圖6 所示，首先寄存器序列spi_reg_sequence 攜帶寄存器信息放到uvm_reg_item 實(shí)例中，并送到adapter。然后adapter 抽取出信息，生成總線所需的Wishbone_seq_item 類型，通過總線上Agent 實(shí)例發(fā)送到DUT內(nèi)，完成寄存器的配置。

圖6 寄存器模型驗(yàn)證

2.3 平臺測試用例

為了對SPI 特性全面測試，編寫如測試用例。測試用例列表及父子類關(guān)系如表3 所示。1 號測試用例是為了測試Wishbone 是否按照總線協(xié)議進(jìn)行讀寫。2 號測試用例繼承于1 號測試用例，它對總線地址進(jìn)行約束，限定訪問地址在SPI 寄存器地址范圍內(nèi)，且檢測寄存器的讀寫方式，如狀態(tài)寄存器只能讀不能寫。3～7 號測試用例均繼承于2號，其中3 號是測試SPI 開啟和關(guān)閉的激勵，是發(fā)送或接收SPI 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。4 號用來測試通信故障，如數(shù)據(jù)溢出、CRC 錯誤。5 號檢測NSS 信號片選引腳在主機(jī)模式下是否拉低指定的從機(jī)設(shè)備引腳。6 號測試用例檢測復(fù)位時(shí)SPI 各個(gè)寄存器是否是設(shè)定值。7 號關(guān)注SPI 在不同傳輸模式下MISO 和MOSI 引腳的時(shí)序是否與協(xié)議一致。

表3 測試用例列表及父子類關(guān)系

2.4 功能覆蓋率組

設(shè)計(jì)自動統(tǒng)計(jì)功能覆蓋率的模型來評估驗(yàn)證結(jié)果是否滿足預(yù)期要求，通過覆蓋組實(shí)現(xiàn)覆蓋率的統(tǒng)計(jì)模型，如表4 包含驗(yàn)證平臺不同覆蓋組，以著重驗(yàn)證SPI 各個(gè)基本功能。

表4 SPI 測試覆蓋組和描述

3 功能覆蓋率統(tǒng)計(jì)及分析

使用Questasim 工具運(yùn)行驗(yàn)證平臺，激活測試用例，實(shí)例Wishbone 和SPI 接口并對接口信號分別進(jìn)行采集。運(yùn)行時(shí)，先通過受約束的隨機(jī)測試，然后對未覆蓋的地方進(jìn)行定向測試，遍歷訪問空間，使功能覆蓋率達(dá)到100%。圖7 顯示了DUT 的功能覆蓋率結(jié)果，每一個(gè)覆蓋組的Coverage=100.0%，這說明驗(yàn)證中每一種情況都已經(jīng)覆蓋，平臺已達(dá)到驗(yàn)證目標(biāo)。

圖7 功能覆蓋率仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本平臺支持Wishbone-SPI 驗(yàn)證，使用UVM 減少驗(yàn)證平臺搭建時(shí)間，且功能覆蓋率達(dá)到100%，編寫高效率的測試用例配合腳本工具實(shí)現(xiàn)可移植復(fù)用的激勵。實(shí)際項(xiàng)目中，可依據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況改變接口代碼或配置代碼，而復(fù)用的代碼結(jié)構(gòu)對于其他驗(yàn)證工作起著積極的作用。后期在該驗(yàn)證平臺上可以加上處理器外殼[9]，運(yùn)行C 的測試用例[10]，做出訪問寄存器、處理中斷等行為，還可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證平臺的垂直復(fù)用，能大大縮短SoC 開發(fā)時(shí)間。