0 引言

    隨著芯片設(shè)計復(fù)雜度的不斷提升，驗證工作占據(jù)了越來越多的開發(fā)時間。為了能夠盡快將產(chǎn)品推向市場，有效的驗證方法就顯得越來越重要。所謂有效的驗證方法，即能夠在較短的時間內(nèi)，利用精確的測試激勵，盡可能驗證芯片的正確性和發(fā)現(xiàn)設(shè)計中深層次的設(shè)計缺陷。所以如何產(chǎn)生精確高效的測試激勵就成為了驗證工作當(dāng)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)^[1]。

1 覆蓋率驅(qū)動激勵產(chǎn)生算法的驗證技術(shù)

    根據(jù)測試激勵產(chǎn)生的方法，可以將測試激勵分為定向測試激勵和隨機測試激勵。定向測試激勵是驗證工程師針對被測設(shè)計（Design Under Test，DUT）期望驗證的功能點進(jìn)行人工編寫的激勵，這種方法直接、準(zhǔn)確，但是對于較大規(guī)模的設(shè)計來說，工程師很難發(fā)現(xiàn)所有的邊界條件。而隨機測試激勵可以容易地產(chǎn)生大量的測試激勵，且可以擊中一些工程師很難發(fā)現(xiàn)的邊界條件，但是隨機測試激勵容易產(chǎn)生測試激勵冗余，這造成了大量的驗證資源浪費^[2]。隨著驗證技術(shù)的發(fā)展，受約束的隨機激勵越來越受驗證工程師親睞。目前，各大EDA公司的仿真器基本均支持約束求解器。驗證工程師根據(jù)需求編寫約束，約束求解器將會對驗證工程師所做的約束進(jìn)行求解，然后產(chǎn)生滿足約束的隨機激勵。

    本文使用VMM(Verification Methodology Manual）驗證方法學(xué)，設(shè)計了一個含激勵產(chǎn)生算法的驗證平臺。該激勵產(chǎn)生算法以覆蓋率為導(dǎo)向，在驗證過程中，通過對覆蓋率的分析，發(fā)現(xiàn)未驗證的邊界條件，及時調(diào)整激勵的產(chǎn)生，以獲得更為滿意的覆蓋率。

2 DUT說明

    該驗證平臺的DUT為一款滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC-15693協(xié)議的高頻RFID芯片，該芯片包含模擬電路、存儲器、數(shù)字電路3個部分。其中，模擬電路負(fù)責(zé)射頻信號的解調(diào)、調(diào)制以及提供芯片工作的時鐘和電源。存儲器負(fù)責(zé)存儲芯片信息。數(shù)字電路負(fù)責(zé)芯片的編解碼、邏輯控制以及與存儲器交互數(shù)據(jù)。該驗證平臺將主要對數(shù)字電路部分的功能進(jìn)行仿真驗證。

    支持ISO/IEC-15693協(xié)議的閱讀器(Vicinity Coupling Device，VCD)和標(biāo)簽芯片(Vicinity Card，VICC)的通信采用命令幀交互。表1為VCD到VICC的請求命令幀格式，幀格式包括幀頭SOF(Start of Frame)，請求標(biāo)志(Flag)，命令碼(Command)，若干參數(shù)(Parameter)與數(shù)據(jù)(Data)，CRC(Cyclic Redundancy Check)校驗，最后是幀尾EOF(End of Frame)。根據(jù)每條命令的不同，幀格式中的參數(shù)和數(shù)據(jù)也不同。VICC到VCD的響應(yīng)幀格式比請求幀格式中少了命令碼，其余部分格式相同^[3]。

3 驗證平臺

    針對DUT，采用VMM驗證方法學(xué)的層次化思想^[4]，設(shè)計出該驗證平臺的整體架構(gòu)。同時，在該驗證平臺中使用了本文所提出的以覆蓋率驅(qū)動激勵產(chǎn)生算法的驗證技術(shù)，并將驗證平臺應(yīng)用于一款高頻RFID芯片驗證，通過驗證結(jié)果，檢驗該驗證技術(shù)的可行性和優(yōu)越性。本文著重介紹該驗證平臺的激勵產(chǎn)生算法和覆蓋率分析方法。

3.1 激勵產(chǎn)生算法

    對于測試激勵的產(chǎn)生，該驗證平臺設(shè)計了一套激勵產(chǎn)生算法。該算法依據(jù)覆蓋率統(tǒng)計分析，對激勵的產(chǎn)生做出決策，即通過對覆蓋率報告分析，算法決策出下一步該如何產(chǎn)生測試激勵。該算法中含有一個序列個數(shù)計數(shù)器，用來計數(shù)一輪測試中激勵的序列個數(shù)。對于單命令測試，序列個數(shù)初始值為1，當(dāng)進(jìn)行多命令場景測試時，就需要一連串的測試激勵產(chǎn)生，這時候序列個數(shù)初始值將會大于1。

    算法的流程圖如圖1所示。驗證平臺啟動復(fù)位后，激勵產(chǎn)生器通過編寫的隨機激勵約束，產(chǎn)生測試激勵，隨后檢查產(chǎn)生的測試激勵是否為期望的有效測試激勵，如果不是，則重新產(chǎn)生，否則將測試激勵送給事務(wù)處理器，由事務(wù)處理器將測試激勵建模為事務(wù)級的命令幀，隨后序列個數(shù)減去1。當(dāng)序列個數(shù)不小于1時，說明為場景測試，還需要繼續(xù)產(chǎn)生激勵，于是激勵產(chǎn)生器將會繼續(xù)產(chǎn)生測試激勵，并送給事務(wù)處理器建模。否則檢驗器將會做響應(yīng)檢查，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤，驗證平臺將會記錄激勵，并Dump出波形，產(chǎn)生Bug日志文件，待設(shè)計人員修復(fù)Bug后重新驗證。如果檢驗器檢驗正確無誤，驗證平臺將會自動收集驗證結(jié)果，形成驗證日志文件，并收集覆蓋率，產(chǎn)生覆蓋率報告。驗證人員分析覆蓋率，如果覆蓋率沒有滿足要求，則根據(jù)報告中未覆蓋的邊界條件，修改激勵約束，以增加測試用例，并繼續(xù)驗證，直到得到滿意的覆蓋率，驗證結(jié)束。

3.2 覆蓋率分析

    由于本驗證平臺采用完全黑盒的驗證方法，只能對DUT系統(tǒng)的頂層信號，即芯片唯一的響應(yīng)信號進(jìn)行驗證，所以此處引入斷言覆蓋率分析的意義不大。因此該驗證平臺著重對功能覆蓋率和代碼覆蓋率進(jìn)行了分析。通過對二者的分析，可以有效地檢驗測試激勵是否完備，以及功能設(shè)計是否完善，以此來判斷是否需要增加新的測試激勵，以及如何產(chǎn)生新的激勵。

3.2.1 功能覆蓋率分析

    功能覆蓋率是驗證工程師從設(shè)計意圖的角度來衡量驗證的完備性，所以也被稱為規(guī)范覆蓋率，它可以檢測到設(shè)計中存在的缺陷^[5]。因而在收集功能覆蓋率時，通過對驗證的測試點進(jìn)行分析，羅列功能點，編寫功能覆蓋組以及功能覆蓋點，如命令幀中的Flag、Command、Parameter等都需要編寫覆蓋組。此處以Command為例，在該DUT中，除了測試命令外，共有25條有效命令，所以該驗證平臺為這25條命令分別設(shè)置了25個倉（bins），所有測試命令歸為一個倉，其余所有的非法命令歸為一個倉，這樣就總共就為Command建立了27個倉。功能覆蓋代碼編寫如下^[4]：

    covergroup covport；

            coverpoint dri.Command{

                bins Inventory={8’h01}；

    bins Stay_quiet={8’h02}；

    bins Rd_sgl_blk={8’h20}；

    bins Wt_sgl_blk={8’h21}；

    bins Lock_blk={8’h22}；

    ……

    bins Error_cmd=default；

        }

    endgroup

    在驗證收集覆蓋率后，可以在覆蓋率報告中查看倉分組情況和倉命中情況，如圖2所示。當(dāng)Command的每個倉都被命中時，就說明對于Command的覆蓋達(dá)到了100%，該測試點得到了完善的測試。如果有未被覆蓋的倉，則通過修改約束，增加測試用例，最終使得功能覆蓋率達(dá)到100%。

    其余的功能點也通過同樣的方式進(jìn)行覆蓋分析，不斷完善，最終得到了如圖3所示的功能覆蓋率報告，從圖中可以看出，總功能覆蓋率達(dá)到了100%，符合預(yù)期效果。這說明設(shè)計期望的功能點均被驗證覆蓋到，且功能設(shè)計正確。

3.2.2 代碼覆蓋率分析

    代碼覆蓋率是驗證工程師從設(shè)計代碼的角度來衡量設(shè)計被驗證的充分性。代碼覆蓋率的收集不需要特殊的程序編寫，只需要對仿真器參數(shù)做必要的設(shè)置即可。通過對代碼覆蓋率的分析，可以有效地判斷設(shè)計中還有哪些沒有被驗證到，以此來增加測試激勵，充分驗證設(shè)計。圖4為代碼覆蓋率報告，從報告中可以清楚地看到各種覆蓋率以及總代碼覆蓋率的覆蓋情況。

    覆蓋率報告中塊（block）覆蓋率包含了語句（statement）覆蓋率和分支（branch）覆蓋率。其中語句覆蓋率指的是設(shè)計代碼語句被執(zhí)行過占總代碼語句數(shù)的比例。分支覆蓋率體現(xiàn)的是if、case等布爾表達(dá)式是否在真和假的情況下各執(zhí)行一次。所以當(dāng)塊覆蓋率為100%時，說明所有的設(shè)計代碼都被執(zhí)行過了。如果沒有達(dá)到100%，則可以通過覆蓋率報告，查看哪些代碼語句或者哪些分支情況沒有被執(zhí)行過，以此來完善測試激勵，驗證邊界條件。上圖報告中塊覆蓋率為98%，接近100%。

    表達(dá)式(expression)覆蓋率用來檢查布爾表達(dá)式驗證的充分性。如if(chk_lock_en || easardmode_en)判斷條件中，兩個變量為真和假均被執(zhí)行過，這樣它的覆蓋率就為100%。在報告中，可以看到表達(dá)式覆蓋率較其他幾項偏低，因為有許多情況在芯片的工作當(dāng)中根本無法遇到，所以表達(dá)式覆蓋率很難進(jìn)一步提高，但是對于芯片設(shè)計的功能來說，已經(jīng)完全得到驗證。

    翻轉(zhuǎn)（toggle）覆蓋率指的是設(shè)計中的寄存器0和1的跳變情況，只有雙向均做了跳變，覆蓋率才達(dá)到100%。從報告中可以看出，翻轉(zhuǎn)覆蓋率也達(dá)到了較高的水平。

    狀態(tài)機（fsm）覆蓋率用于統(tǒng)計在驗證過程中狀態(tài)機發(fā)生了哪些跳轉(zhuǎn)，這種分析可以防止某些狀態(tài)在整個驗證過程中從未發(fā)生跳轉(zhuǎn)，從而造成設(shè)計隱患。從報告中可以看出，狀態(tài)機覆蓋率為100%，狀態(tài)機得到了充分驗證。

    在實際驗證過程中，通過以上分析方法，不斷調(diào)整激勵約束，直到最終代碼覆蓋率達(dá)到了96%，滿足預(yù)期效果。

3.3 驗證平臺最終驗證結(jié)果

    依據(jù)激勵產(chǎn)生算法，通過對功能覆蓋率和代碼覆蓋率的結(jié)合分析，不斷修改激勵產(chǎn)生約束，最終在較短的時間內(nèi)，獲得了滿意的功能覆蓋率和代碼覆蓋率?，F(xiàn)該驗證平臺所驗證的芯片已經(jīng)成功流片，在對流片后的芯片測試中，芯片的各項功能正確，且性能優(yōu)異，完全能夠滿足市場應(yīng)用的要求。

4 結(jié)論

    通過采用VMM驗證方法學(xué)，以覆蓋率驅(qū)動激勵產(chǎn)生算法的驗證平臺與傳統(tǒng)驗證平臺相比，具備更高的層次化。同時，本文所提出的驗證技術(shù)為準(zhǔn)確判定驗證的完備性提供了一個有效的衡量標(biāo)準(zhǔn)。所以，驗證平臺采用的驗證技術(shù)可以大幅度提高驗證工作的效率和質(zhì)量，為芯片的一次流片成功率提供了有力的保障。同時該驗證技術(shù)也可以為其它工程項目的驗證提供很好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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[2] 鐘文楓.SystemVerilog與功能驗證[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010(8)：118-119.

[3] Identification cards-Contactless integrated circuit cards-Vicinity cards-Part 3:Anti-collision and transmission protocol[S].ISO/IEC 15693-3，2000-03-10.

[4] VMM Standard Library User Guide, version D-2009.12，December 2009.

[5] 克里斯·斯皮爾.System Verilog驗證測試平臺編寫指南[M].北京：科學(xué)出版社，2009：248-250.