基于FPGA的SoC驗證平臺實現電路仿真?zhèn)慑e

臺灣工業(yè)技術研究院提出一種能夠顯著提升客制化FPGA原型板驗證效率的創(chuàng)新方法，自動化現有的電路仿真(in-circuit emulation)偵錯功能，并提供更高的FPGA能見度。這個以FPGA為基礎的SoC驗證平臺對工研院而言是前景看好的嶄新領域。

　　案例研究：高效能的多媒體SoC平臺

　　這款SoC設計是高效能的Android兼容多媒體SoC平臺。配置了AXI、AHB與APB總線，供通訊使用;由工研院(PACDSPs、EMDMA 與 DDR2控制器)設計的高效能客制化IP組件連結至AXI 總線，加速H.264視訊編譯碼器(video codec)等多媒體應用軟件的執(zhí)行。包括ARM、SDRAM、DMA、SRAM、Ethernet與LCD在內的標準IP組件連結至AHB總線，適合于一般應用。最后，UART、Timer、I2S、I2C與Watchdog等低頻率的IP區(qū)塊(block)則連結至APB總線。

　　下列案例研究說明了工研院與思源科技工程師如何合作，使用思源科技ProtoLink Probe Visualizer，克服工研院SoC設計中出現的驗證挑戰(zhàn)。這個與音效功能相關的問題是：在 FPGA原型板未激活OS的狀況下，功能正常運作 (可錄音與播放);但如果在原型板上啟用Linux，功能就無法正常運作。在FPGA原型環(huán)境中，要使用傳統的偵錯方法排除這類問題是相當困難的。FPGA的能見度僅局限在少數的訊號與時脈周期內，無法提供足夠的信息找出錯誤所在。而因為激活OS(例如 Linux)耗費的時間相當長，想透過緩存器轉換階層(RTL) 仿真來解決問題也行不通。由于問題的成因可能在于軟件、硬件或驅動程序，因此要確實找出問題的根本原因是一項考驗。

　　與眾不同的作法

　　要簡化偵錯作業(yè)，就需要更高效率的驗證方法。ProtoLink Probe Visualizer是新的原型驗證環(huán)境，采用以軟件為基礎的方法，可以從RTL設計階段開始到最終的設計實現階段，都提供高水平的設計能見度，可全面加速偵錯作業(yè)的進行。

　　工研院起初擔心其客制化原型板可能無法符合思源科技ProtoLink Probe Visualizer的接口需求，而思源科技工程師在進行幾項快速測試之后，證明工研院客制化原型板上的標準 J連接器可順利地與執(zhí)行Probe Visualizer軟件的工作站連結。只需在原型板上新增鎖相回路(PLL)，提供所需的取樣時脈(sampling clock)即可。FPGA的設置流程相當簡單，可輕松整合至現有的程序(script) 中，自動選取大約100個探測訊號(probed signal)，就能見度來說，已比過去的方法提升6倍之多。此外，所有的探測資料都可儲存在外接的2GB探測訊號內存中而不占用FPGA資源，真正額外需要的探測邏輯(probe logic)也僅占用FPGA的2%，可說相當的少。外接內存的資料容量可儲存充足長度的時脈周期，讓工程師能夠確實掌握軟件、硬件與驅動程序間的關系。

　　工研院團隊透過思源科技Verdi自動偵錯系統的進階觀察、追蹤與分析功能，來使用儲存的探測資料進行偵錯作業(yè)。在經過多次重復偵錯之后，發(fā)現了兩個問題：1) USB中斷 (USB interrupt)長時間鎖住ARM，因此I2S內的FIFO是空的，因而造成問題; 2)定時中斷(Timer interrupt)的優(yōu)先級高于DMA中斷，因此再一次造成I2S內的FIFO是空的。工研院工程師使用思源科技軟件的偵錯功能，進一步分析設計行為，僅管表現出來是共通的錯誤征兆，工程師還是能夠迅速發(fā)現這些錯誤的根本成因是源于兩種不同的情況。

　　此外，觀察額外的關鍵訊號是偵錯時必需的，但這些訊號多半不在原始探測清單中。工研院工程師透過Probe Visualizer迅速的探測ECO流程，在10分鐘內就可新增10個新訊號，而且不用重新編譯整個設計。相對傳統的偵錯方法需要在RTL拖曳新訊號，并且針對這個特定的設計重新執(zhí)行合成(synthesis )以及布局與繞線作業(yè)，約需花上2至3個小時，因此這方面的革新省下了大量的時間。

　　工程師能夠輕松地將所需額外的RTL探測訊號由Verdi偵錯環(huán)境拖曳至ProbeVisualizer。這套系統會自動建立RTL至邏輯閘層(RTL-to-gate level)的訊號對應關系,所以可直接在 FPGA 布局與繞線檔案上迅速執(zhí)行部份繞線作業(yè)來看到新增的探測訊號，大幅縮短偵錯作業(yè)時間，所以能在短時間內處理多重偵錯工作階段 (debug session)。而對設計中使用的“黑盒子”IP區(qū)塊，也只需EDIF名稱，就可以進行探測ECO流程。