芯片驗(yàn)證越來越像是軟件而不是硬件工作，這點(diǎn)已逐漸成為業(yè)界的共識(shí)。本文以軟件工程的視角切入，分析中科院計(jì)算所某片上系統(tǒng)(SoC" target="_blank">SoC)項(xiàng)目的驗(yàn)證平臺(tái)，同時(shí)也介紹當(dāng)前較為流行的驗(yàn)證方法，即以專門的驗(yàn)證語(yǔ)言結(jié)合商用的驗(yàn)證模型，快速建立測(cè)試平臺(tái)(Test-bench)并在今后的項(xiàng)目中重用。
本文提及的高級(jí)驗(yàn)證語(yǔ)言、方法學(xué)、驗(yàn)證基本庫(kù)和仿真模型，這一套方法在近幾年中正逐漸被業(yè)界廣為采用。計(jì)算所的工作就是以這些最新成果為起點(diǎn)，對(duì)基于AXI總線協(xié)議的SoC建立測(cè)試平臺(tái)。
這種新方法可大幅度提高芯片驗(yàn)證的效率，尤其是項(xiàng)目初期投入極大地降低，原因之一是面向?qū)ο缶幊痰溶浖こ谭椒ǖ拇罅恳?。?dāng)然，這也對(duì)驗(yàn)證工程師的技能提出了新的要求。
驗(yàn)證方法
在驗(yàn)證領(lǐng)域，顯見的趨勢(shì)是語(yǔ)言劃一、仿真平臺(tái)統(tǒng)一、更加正規(guī)和高效。以本文介紹的項(xiàng)目為例，語(yǔ)言是SystemVerilog，平臺(tái)則基于VMM構(gòu)建，更有驗(yàn)證模型(Verification IP)助力，大幅提升了效率。正是因?yàn)椴考芍赜?、平臺(tái)結(jié)構(gòu)化、以覆蓋率為導(dǎo)向和高度自動(dòng)化等特點(diǎn)，驗(yàn)證工作也愈加正規(guī)，有流程可循。
專門的驗(yàn)證語(yǔ)言，面世已有數(shù)年之久。它們出自于傳統(tǒng)的純粹Verilog(有時(shí)部分引入C/C++)描述的驗(yàn)證系統(tǒng)，并有很大發(fā)展。Vera、e語(yǔ)言和目前已成IEEE標(biāo)準(zhǔn)的SystemVerilog就是這段時(shí)期技術(shù)創(chuàng)新的成果。
面向?qū)ο缶幊烫匦裕萜湓搭^便是C++語(yǔ)言。早在純Verilog語(yǔ)言驗(yàn)證的時(shí)代，已有利用C++開發(fā)可重用驗(yàn)證代碼的做法。工程師們看中的恰是OOP的封裝、繼承、多態(tài)及可重用等優(yōu)異特性。
驗(yàn)證語(yǔ)言沒有相應(yīng)函數(shù)庫(kù)的支持，語(yǔ)言本身也很難發(fā)揮效力。舉一個(gè)大家熟知的例子，視窗(Windows)編程中，使用C語(yǔ)言直接調(diào)用視窗系統(tǒng)的編程接口(API)實(shí)現(xiàn)，是較為傳統(tǒng)的做法，可目前卻鮮有視窗程序員這樣應(yīng)用。為什么？工作量巨大，需維護(hù)的信息太多，從窗口尺寸、菜單列表到程序算法，都要加以考慮。因而作為解決方案之一的微軟基本庫(kù)(MFC)才得以大行其道。與之相得益彰的是，C++作為微軟基本庫(kù)的描述語(yǔ)言，也隨視窗系統(tǒng)的傳播，廣為流行開來。
現(xiàn)代芯片驗(yàn)證領(lǐng)域，無例外地也出現(xiàn)了類似狀況。大量新方法、新模型和新類庫(kù)不斷涌現(xiàn)，減輕了驗(yàn)證工程師們重復(fù)開發(fā)底層代碼的負(fù)擔(dān)，將更多精力投入到實(shí)際項(xiàng)目上。這一套新思路中，主要構(gòu)成部分便是驗(yàn)證語(yǔ)言(如Vera、SystemVerilog)，驗(yàn)證基本庫(kù)(RVM、VMM)和相應(yīng)的驗(yàn)證模型。
VMM的應(yīng)用
VMM不僅是方法學(xué)，更是該方法的具體實(shí)現(xiàn)。它包括一系列的類庫(kù)(class library)、類對(duì)象(object)聯(lián)接關(guān)系以及用戶定制的代碼。如圖1所示的測(cè)試平臺(tái)中，各部件或即對(duì)象，是VMM基本類/擴(kuò)展類的實(shí)例化(Instantiate)。所涉及到的VMM基本類有vmm_xactor、vmm_scenario_gen和vmm_data等。
圖1：測(cè)試平臺(tái)框圖。
聯(lián)接各部件，構(gòu)成一個(gè)整體還需要其它一些基本類，包括vmm_env、vmm_channel以及vmm_xactor_callbacks等。除此之外，用戶要根據(jù)芯片的實(shí)際狀況，添加或修改約束條件、接口聯(lián)線、執(zhí)行步驟、覆蓋率定義和自動(dòng)比對(duì)機(jī)制(auto-check)。
1. 背景
該種類型的驗(yàn)證平臺(tái)充分利用了軟件工程的成果，將整個(gè)測(cè)試平臺(tái)按照所實(shí)現(xiàn)的功能，分門別類予以切割，實(shí)現(xiàn)各模塊獨(dú)自開發(fā)、分別維護(hù)。目前，芯片規(guī)模趨于龐大，協(xié)議愈形復(fù)雜，通常要傳遞海量數(shù)據(jù)，并擁有數(shù)目繁多的端口。如果還以先前純Verilog的方式建立驗(yàn)證系統(tǒng)，將很難滿足芯片開發(fā)和投片的進(jìn)度。
簡(jiǎn)而言之，簡(jiǎn)單地激勵(lì)DUT輸入端口、監(jiān)控相應(yīng)的輸出端口和編寫臨時(shí)性的代碼來做數(shù)據(jù)比對(duì)，這種驗(yàn)證方法已相當(dāng)落后了。當(dāng)然，我們也看到某些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的芯片還有一定市場(chǎng)，純粹Verilog語(yǔ)言的驗(yàn)證平臺(tái)也可以做到非常復(fù)雜(但是很難維護(hù))，并且學(xué)習(xí)面向?qū)ο缶幊痰拇鷥r(jià)容易令人望而卻步。但這些都是主流之外的個(gè)例，故對(duì)此本文不深入展開。
現(xiàn)代驗(yàn)證系統(tǒng)，盡管包含數(shù)量眾多的模塊、多樣的數(shù)據(jù)類型/協(xié)議及各模塊間復(fù)雜的信息傳遞(保持同步、共享數(shù)據(jù)等)，它仍然是繼承傳統(tǒng)方法，歸納以往的驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，依照慣常的步驟建立測(cè)試平臺(tái)。
VMM方法也概莫能外。依照通常的流程，它為所有應(yīng)用VMM的測(cè)試平臺(tái)設(shè)定了九個(gè)步驟，定義在vmm_env中：gen_cfg、build、reset_dut、cfg_dut、start、wait_for_end、stop、cleanup和report。
另一方面，VMM平臺(tái)的架構(gòu)按抽象層次劃分，由以下部件組成：測(cè)試?yán)?test)、場(chǎng)景發(fā)生器(generator)、驅(qū)動(dòng)部件(driver)、監(jiān)控部件(monitor)、數(shù)據(jù)比對(duì)部件(scoreboard)、數(shù)據(jù)對(duì)象(data object)、數(shù)據(jù)傳輸管道(channel)、回調(diào)函數(shù)集(callback)、配置總集(dut_cfg與sys_cfg)、覆蓋率統(tǒng)計(jì)部件，以及聯(lián)接并集成以上所有部件的環(huán)境對(duì)象(environment object)，如圖2中所示。
圖2：在測(cè)試平臺(tái)中使用驗(yàn)證IP可大為降低工作量。
VMM中各個(gè)部件的使用，可參看Synopsys與ARM共同出版的手冊(cè)。
2. 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)
該研究所之前的驗(yàn)證工作均采用高級(jí)驗(yàn)證語(yǔ)言Vera，使用SystemVerilog則是第一次。VMM方法的引入，究竟能在多大程度上提高驗(yàn)證效率？該項(xiàng)目既是實(shí)際工作又是一次評(píng)估。
我們?cè)O(shè)定預(yù)期值，是基于以下幾點(diǎn)考慮：
a. 建立一個(gè)范例平臺(tái)(包含簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)交易、自檢測(cè)、覆蓋率統(tǒng)計(jì))需要多長(zhǎng)時(shí)間？
b. 可擴(kuò)展性，即隨機(jī)測(cè)試向量的約束條件更改、自動(dòng)比對(duì)機(jī)制按需求定制、功能覆蓋點(diǎn)的添加及AXI協(xié)議的監(jiān)控是否完備。
c. 驗(yàn)證流程可控性，如在已有的九步驟中插入額外動(dòng)作；通過系統(tǒng)配置的改變，來控制各步驟執(zhí)行的順序和次數(shù)(比如一次reset多次cfg_dut以實(shí)現(xiàn)在線重復(fù)測(cè)試)。
d. 易用性也應(yīng)當(dāng)考慮在內(nèi)。畢竟，VMM方法涵蓋的內(nèi)容很廣，工程師們要完全掌握仍有個(gè)過程。在無法知其所以然的時(shí)候，能不能很快地知其然，并開展工作，顯得非常重要。
后文的敘述都將圍繞著這幾方面展開。
AXI-VIP的集成
如前所述，VMM方法具備抽象分層結(jié)構(gòu)、有九個(gè)執(zhí)行步驟等優(yōu)點(diǎn)，但它只是一個(gè)通用的方法，能否符合前邊提出的四點(diǎn)判定標(biāo)準(zhǔn)還成問題。舉例來說，計(jì)算所的AXI主設(shè)備(master)仿真模型是以Verilog編寫的，無法在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)與VMM平臺(tái)的互聯(lián)；完整的AXI協(xié)議檢測(cè)，對(duì)本所第一顆基于該總線的片上系統(tǒng)顯得尤為重要；由于時(shí)間倉(cāng)促，AXI仿真模型還有待修正。這些都是項(xiàng)目進(jìn)程中無法回避的問題，而VMM方法本身又沒有提供解決方法。
1. 商用驗(yàn)證模型
AXI驗(yàn)證模型(VIP)是Synopsys公司的商用模型，可配置、數(shù)據(jù)交易嚴(yán)格符合AXI協(xié)議，具備完整的協(xié)議檢查功能。最重要的一點(diǎn)是，AXI-VIP提供與VMM平臺(tái)的接口。實(shí)際上，這個(gè)VIP本身就實(shí)現(xiàn)了VMM平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)部件(Driver)加監(jiān)控部件(Monitor)的功能：向下層是與DUT通過端口相聯(lián)，向上層則有基于vmm_channel/vmm_xactor_callbacks的數(shù)據(jù)傳輸管道。如圖2所示，除Test、Generator和Scoreboard之外的部分，AXI-VIP都已實(shí)現(xiàn)。這個(gè)商用模型對(duì)開發(fā)進(jìn)度的實(shí)際貢獻(xiàn)將取決于工程師能否快速上手。換言之，VIP的易用性決定了它的價(jià)值。
有鑒于此，Synopsys公司提供一個(gè)基于AXI-VIP的VMM范例。其中，DUT部分以AXI Bus VIP替代，TB部分實(shí)現(xiàn)了如圖2所示的分層架構(gòu)。工程師作為用戶只需做如下修改，便能得到包含有簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)交易、自檢測(cè)、覆蓋率統(tǒng)計(jì)等功能的驗(yàn)證平臺(tái)：替換DUT，并修改接口信號(hào)名；改寫測(cè)試?yán)齮est_1的約束條件，得到自己的測(cè)試?yán)?；增加?duì)DUT的配置操作。上述工作于一天內(nèi)完成，仿真輸出結(jié)果有波形文件、Log文件及覆蓋率報(bào)告。
2. AXI-VIP支持的類
AXI- VIP定義的類都有相同的前綴名“dw_vip_axi”，它們構(gòu)成vmm_env當(dāng)中的大部分：
a. dw_vip_axi_master_rvm；
b. dw_vip_axi_slave_rvm；
c. dw_vip_axi_monitor_rvm；
d. dw_vip_axi_master_transaction_scenario_gen；
e. dw_vip_axi_port_model_configuration；
f. dw_vip_axi_system_model_configuration；
g. dw_vip_axi_master_transaction_channel；
h. dw_vip_axi_slave_resp_transaction_channel；
i. dw_vip_axi_monitor_transaction_channel。
這些類將例化產(chǎn)生主設(shè)備部件、從設(shè)備部件、監(jiān)控部件、配置對(duì)象、數(shù)據(jù)對(duì)象和數(shù)據(jù)傳輸管道等等。它們有著各自的變量、函數(shù)，提供了豐富的控制功能，涵蓋所有類型的操作。
功能的完備并未損害AXI-VIP的易用性，這點(diǎn)在項(xiàng)目中得到了印證。通過三天的培訓(xùn)與實(shí)做，工程師們能夠通過"修改約束條件來隨機(jī)產(chǎn)生測(cè)試向量"，按照芯片測(cè)試規(guī)范改寫"自動(dòng)比對(duì)機(jī)制"，添加"功能覆蓋點(diǎn)"，并利用AXI監(jiān)控部件"自動(dòng)檢查協(xié)議"并收集與AXI協(xié)議相關(guān)的覆蓋率。
這當(dāng)中，按照芯片測(cè)試規(guī)范改寫“自動(dòng)比對(duì)機(jī)制”沒有現(xiàn)成的VMM基本類可用。我們是從Synopsys提供的簡(jiǎn)單范例入手，利用AXI-VIP提供的回調(diào)函數(shù)集，獲取數(shù)據(jù)交易信息，并實(shí)時(shí)地比對(duì)流出與流入數(shù)據(jù)。如同其他的驗(yàn)證系統(tǒng)，這部分工作是最多樣化，也是最為核心的任務(wù)，所以占用三天當(dāng)中的大部分時(shí)間，也在意料之中。
基于VMM的Scoreboard實(shí)現(xiàn)
本所驗(yàn)證組以VMM方法為指導(dǎo)，利用AXI-VIP提供的回調(diào)函數(shù)集，快速建立了該測(cè)試平臺(tái)的自動(dòng)比對(duì)機(jī)制。盡管還不能最終應(yīng)用在十幾個(gè)主/從設(shè)備的全系統(tǒng)中，但是，由于這部分代碼封裝在自定義的Scoreboard類當(dāng)中，可重用、可擴(kuò)展，并且符合VMM平臺(tái)的接口要求，可以很方便地合入將來的系統(tǒng)中。該Scoreboard類的核心部分SystemVerilog代碼由Synopsys提供，如圖3所示。
圖3：自檢測(cè)單元的結(jié)構(gòu)框圖。
左端是主設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖及比對(duì)，右端為從設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖及比對(duì)，中間的1到N和N到1轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)比對(duì)任務(wù)的分配。N個(gè)從設(shè)備的比對(duì)代碼，都擴(kuò)展自相同的類。正因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)它是可無限擴(kuò)展的。基于本項(xiàng)目只有兩個(gè)主設(shè)備的特點(diǎn)，我們對(duì)左邊的結(jié)構(gòu)做了大幅度簡(jiǎn)化。
核心的比對(duì)部分之外，關(guān)鍵任務(wù)就是實(shí)時(shí)地獲取各主/從設(shè)備的數(shù)據(jù)流。這在AXI-VIP(也包括Synopsys公司的其他VIP)中，已經(jīng)有現(xiàn)成函數(shù)可用。本所工程師在兩天時(shí)間內(nèi)就學(xué)會(huì)使用，并結(jié)合實(shí)際完成了代碼的開發(fā)與調(diào)試。
AXI-VIP包括主設(shè)備、從設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備，它們?cè)跀?shù)據(jù)交易的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)將得到一次函數(shù)回調(diào)的機(jī)會(huì)，如表1所示。
表1：回調(diào)函數(shù)與相應(yīng)管道的對(duì)應(yīng)關(guān)系表。
依據(jù)這些回調(diào)函數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)交易階段，我們選取主設(shè)備的post_input_channel_get，從設(shè)備的pre_output_channel_put兩函數(shù)來獲取交易數(shù)據(jù)。
其它函數(shù)也可以用來獲取數(shù)據(jù)，如監(jiān)控設(shè)備的pre_activity_channel_put，就可以得到輸入、輸出兩方面的數(shù)據(jù)。具體請(qǐng)參看AXI-VIP使用手冊(cè)。另外，VMM回調(diào)函數(shù)還可以用于控制驗(yàn)證流程、插入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等等，限于篇幅，本文不再展開。
本文小結(jié)
因?yàn)樾酒?yàn)證工作的趨勢(shì)是需要更多的軟件知識(shí)和技巧。本文以中科院計(jì)算所的SoC項(xiàng)目為例，講解了如何充分利用專業(yè)的驗(yàn)證語(yǔ)言基本庫(kù)和商用的仿真模型快速建立測(cè)試平臺(tái)。文中詳細(xì)介紹了各部件的使用和AXI-VIP對(duì)象如何納入VMM框架，以及這樣做的實(shí)際意義。
VMM方法基于SystemVerilog語(yǔ)言，提供了完整的函數(shù)庫(kù)，而作為補(bǔ)充的AXI-VIP，功能完備且易用性強(qiáng)?；谶@一新方法，本所驗(yàn)證組工程師在五個(gè)工作日內(nèi)快速建立了一套可方便擴(kuò)展的測(cè)試平臺(tái)。建立新系統(tǒng)的過程中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì)的漏洞，充分體現(xiàn)了該方法的高效性。