基于RVM的層次化SoC芯片驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘 要：本文以SIM卡控制模塊的功能驗(yàn)證為例，介紹了運(yùn)用Synopsys Vera驗(yàn)證工具以及RVM驗(yàn)證方法學(xué)快速高效地搭建高質(zhì)量驗(yàn)證平臺(tái)的方法。文中詳細(xì)介紹了RVM驗(yàn)證方法學(xué)以及RVM驗(yàn)證平臺(tái)的結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：RVM；SoC；驗(yàn)證平臺(tái)；可重用性；功能驗(yàn)證

引言
隨著SoC設(shè)計(jì)日趨復(fù)雜，驗(yàn)證成為SoC設(shè)計(jì)過(guò)程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本文介紹了Synopsys的RVM驗(yàn)證方法學(xué)，采用Vera硬件驗(yàn)證工具以及OpenVera驗(yàn)證語(yǔ)言建立目標(biāo)模型環(huán)境，自動(dòng)生成激勵(lì)，完成自核對(duì)測(cè)試、覆蓋率分析等工作。通過(guò)建立層次化的可重用性驗(yàn)證平臺(tái)，大大提高了驗(yàn)證工程師的工作效率。文中以一個(gè)SIMC功能模塊的驗(yàn)證為例，詳細(xì)介紹了RVM驗(yàn)證方法學(xué)在SoC芯片驗(yàn)證中的應(yīng)用。
　　
功能驗(yàn)證
一個(gè)設(shè)計(jì)被綜合前，首先要對(duì)RTL描述進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證，以確保模塊或芯片的功能正確性。通常，RTL級(jí)的功能驗(yàn)證主要采用自底向上的驗(yàn)證策略，可分為模塊級(jí)驗(yàn)證和系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證兩個(gè)階段。

傳統(tǒng)驗(yàn)證方法大多是在信號(hào)級(jí)的接口上直接與待驗(yàn)證設(shè)計(jì)(DUT)通信，即用激勵(lì)直接驅(qū)動(dòng)DUT的引腳，通過(guò)檢查接口信號(hào)的值和變化來(lái)達(dá)到驗(yàn)證設(shè)計(jì)功能的目的。這種方法的抽象層次較低，驗(yàn)證平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與DUT的接口協(xié)議緊密相關(guān)，使得驗(yàn)證平臺(tái)的重用性較差。如果要做到一個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)可以驗(yàn)證多個(gè)不同的DUT，必須將驗(yàn)證平臺(tái)的抽象層次提高到事務(wù)級(jí)，而且應(yīng)該構(gòu)建層次化的結(jié)構(gòu)，層與層之間具有一定的獨(dú)立性，改變底層并不會(huì)影響上層。

基于事務(wù)的驗(yàn)證
所謂事務(wù)(Transaction)是指設(shè)計(jì)對(duì)象與事務(wù)處理器(Transactor)之間通過(guò)接口所做的一次數(shù)據(jù)傳輸。從硬件的角度來(lái)看，事務(wù)可看成作用在一個(gè)特定接口上的一組信號(hào)的集合單元。事務(wù)具有3個(gè)要素：起始時(shí)間、終止時(shí)間，以及所有與這個(gè)事務(wù)相關(guān)的信息。

基于事務(wù)的驗(yàn)證工具讓用戶(hù)除了可以在信號(hào)/引腳級(jí)上進(jìn)行驗(yàn)證，還可以在事務(wù)級(jí)上進(jìn)行驗(yàn)證，從而提高了設(shè)計(jì)生產(chǎn)率。

基于事務(wù)驗(yàn)證環(huán)境的基本要素
DUT：待驗(yàn)證設(shè)計(jì)對(duì)象的RTL描述或門(mén)級(jí)描述。

事務(wù)：在DUT和事務(wù)處理器之間通過(guò)接口在特定起止時(shí)間內(nèi)的一次數(shù)據(jù)傳輸。事務(wù)能夠?qū)π盘?hào)波形進(jìn)行標(biāo)識(shí)，表示相關(guān)的信號(hào)屬性，還可以標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤。

事務(wù)處理器：也叫總線(xiàn)功能模型(BFM)。事物處理器可以表示事務(wù)所代表的信號(hào)變化，并與DUT通過(guò)接口進(jìn)行連接。一個(gè)典型的DUT往往具有不同的接口，因此一個(gè)驗(yàn)證環(huán)境中具有不同的事務(wù)處理器以產(chǎn)生相關(guān)的測(cè)試向量對(duì)DUT進(jìn)行激勵(lì)。

測(cè)試?yán)?Testcase)：用來(lái)產(chǎn)生驗(yàn)證DUT特定功能所需要的事務(wù)。

基于事務(wù)的驗(yàn)證處理過(guò)程
測(cè)試?yán)ㄟ^(guò)特定的事務(wù)來(lái)調(diào)用事務(wù)處理器的任務(wù)，事務(wù)處理器按照DUT所遵循的協(xié)議對(duì)事務(wù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)處理后的事務(wù)通過(guò)連接DUT的接口輸入到DUT中，DUT對(duì)輸入的激勵(lì)進(jìn)行響應(yīng)。DUT輸出的響應(yīng)再轉(zhuǎn)換為事務(wù)的形式，這樣驗(yàn)證平臺(tái)的自核對(duì)模塊就可以在事務(wù)級(jí)上對(duì)激勵(lì)和響應(yīng)進(jìn)行核對(duì)，以檢查DUT的功能是否正確。

RVM層次化驗(yàn)證方法學(xué)
RVM驗(yàn)證方法學(xué)是一種層次化的驗(yàn)證方法學(xué)，它能把驗(yàn)證的步驟分層進(jìn)行，將驗(yàn)證工作提高到更高的抽象層次，即事務(wù)層。層次化的驗(yàn)證方法使得驗(yàn)證工程師只需關(guān)心DUT的輸入/輸出接口，而不必關(guān)心DUT內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)RVM方法學(xué)，驗(yàn)證工程師可以搭建出具有隨機(jī)測(cè)試、自動(dòng)檢錯(cuò)核對(duì)、功能覆蓋等功能的層次化驗(yàn)證平臺(tái)。這類(lèi)驗(yàn)證平臺(tái)包含很多參考模型，每個(gè)模型可完成不同的功能。在搭建驗(yàn)證平臺(tái)的過(guò)程中，還可以直接調(diào)用Synopsys提供的RVM基類(lèi)庫(kù)，其中定義了豐富的標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)。利用RVM基類(lèi)以及面向?qū)ο蟮募夹g(shù)可以更方便地生成驗(yàn)證平臺(tái)各個(gè)層次的模塊。

基于RVM的驗(yàn)證平臺(tái)分成5層，每層完成獨(dú)立的功能，層與層通過(guò)接口互相連接。RVM驗(yàn)證模型如圖1所示。

圖 1 RVM層次化驗(yàn)證模型


信號(hào)層
信號(hào)層提供驗(yàn)證平臺(tái)與DUT的信號(hào)級(jí)連接。驗(yàn)證平臺(tái)通過(guò)信號(hào)層將上層產(chǎn)生的激勵(lì)驅(qū)動(dòng)到DUT中。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要定義驗(yàn)證平臺(tái)與DUT連接的虛端口，當(dāng)DUT的接口改變時(shí)，只需要修改驗(yàn)證平臺(tái)虛端口中的信號(hào)，上層模塊不需要修改，方便整個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)的重用。

命令層
命令層將信號(hào)層的信號(hào)抽象為事務(wù)，給高層提供DUT的接口與事務(wù)的轉(zhuǎn)換。命令層主要包括驅(qū)動(dòng)器模塊和監(jiān)視器模塊，與上層模塊通過(guò)事務(wù)級(jí)通道連接，與下層模塊通過(guò)虛端口連接。驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)DUT激勵(lì)的驅(qū)動(dòng)。監(jiān)視器檢測(cè)DUT的輸出，將輸出反饋給上層模塊。

功能層
功能層模擬DUT的基本行為，將DUT的行為抽象為更高一級(jí)的事務(wù)。功能層中包括事務(wù)處理器模塊和自核對(duì)模塊。事務(wù)處理器模塊根據(jù)DUT所遵循的協(xié)議將上層產(chǎn)生的事務(wù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)事務(wù)處理器處理的事務(wù)通過(guò)事務(wù)級(jí)通道傳給下層。自核對(duì)模塊用于對(duì)比事務(wù)經(jīng)過(guò)DUT處理之后是否符合協(xié)議的要求，通常用于檢查DUT傳輸數(shù)據(jù)的正確性。

激勵(lì)產(chǎn)生層
激勵(lì)產(chǎn)生層用于產(chǎn)生對(duì)DUT的激勵(lì)事務(wù)。這一層包括產(chǎn)生器模塊，該模塊產(chǎn)生一系列的事務(wù)對(duì)象，通過(guò)事務(wù)級(jí)通道傳輸給下層。RVM支持兩種產(chǎn)生器： Atomic產(chǎn)生器，用于產(chǎn)生一組相似的事務(wù)對(duì)象； Scenario產(chǎn)生器，用于產(chǎn)生順序可控制的事務(wù)對(duì)象。

測(cè)試層
測(cè)試層用于對(duì)DUT的邏輯功能進(jìn)行驗(yàn)證。這一層主要是用戶(hù)為了驗(yàn)證DUT的邏輯功能而編寫(xiě)的不同測(cè)試?yán)?，在測(cè)試?yán)锌梢詫?duì)各個(gè)模塊的限制條件進(jìn)行修改。通過(guò)對(duì)不同測(cè)試?yán)\(yùn)行結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，可以查看DUT的功能覆蓋率，只有功能覆蓋率達(dá)到一定要求，才能夠認(rèn)為該DUT已經(jīng)被完備的驗(yàn)證通過(guò)。

SIMC模塊的功能驗(yàn)證
SIMC是SIM卡控制器的簡(jiǎn)稱(chēng)，通過(guò)SIMC可以在手機(jī)基帶處理芯片上外接SIM卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。SIMC模塊連接在系統(tǒng)的APB總線(xiàn)上，ARM微控制器通過(guò)APB總線(xiàn)對(duì)SIMC進(jìn)行訪問(wèn)。該模塊主要包括波特率產(chǎn)生部分、接收數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換部分、發(fā)送數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換部分、發(fā)送FIFO的控制部分、接收FIFO的控制部分等。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，SIMC模塊會(huì)將發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)先放到發(fā)送FIFO中，再將FIFO中的數(shù)據(jù)發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)時(shí)，SIMC模塊將接收到的數(shù)據(jù)放到接收FIFO中，再由處理器從接收數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)。如果接收數(shù)據(jù)后，判斷校驗(yàn)位或停止位出錯(cuò)，則數(shù)據(jù)不會(huì)被放入接收FIFO中，SIMC模塊的狀態(tài)寄存器會(huì)有相應(yīng)的指示。

本文將以一款基帶處理芯片的SIMC為例，詳細(xì)介紹RVM驗(yàn)證方法學(xué)的應(yīng)用。其中DUT的RTL代碼用Verilog編寫(xiě)，驗(yàn)證平臺(tái)的代碼用OpenVera編寫(xiě)。OpenVera語(yǔ)言是一種新型的高階驗(yàn)證語(yǔ)言(HLV)。用OpenVera編寫(xiě)的代碼中調(diào)用了RVM的基類(lèi)和庫(kù)函數(shù)，充分應(yīng)用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)。

SIMC模塊的RVM分層驗(yàn)證平臺(tái)結(jié)構(gòu)
SIMC模塊的驗(yàn)證平臺(tái)利用Synopsys公司Vera驗(yàn)證工具搭建，驗(yàn)證平臺(tái)的搭建遵循RVM驗(yàn)證方法學(xué)，代碼的編寫(xiě)過(guò)程調(diào)用了RVM基類(lèi)庫(kù)。SIMC模塊驗(yàn)證平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 SIMC模塊RVM層次化驗(yàn)證模型

信號(hào)層
信號(hào)層包括定義的虛端口，用于和SIMC模塊RTL代碼的接口相連。首先定義一個(gè)interface變量，該變量中定義的接口對(duì)應(yīng)于SIMC模塊的接口信號(hào)，interface變量的定義語(yǔ)句中用hdl_node關(guān)鍵字和RTL代碼的接口信號(hào)相連。定義的虛端口再和interface中的信號(hào)綁定。

命令層
命令層包括ARM端的驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)視器、SIM卡端的驅(qū)動(dòng)器和監(jiān)視器。ARM端的驅(qū)動(dòng)器模仿APB總線(xiàn)，按照協(xié)議的規(guī)定對(duì)DUT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，SIM卡端的驅(qū)動(dòng)器模仿一個(gè)SIM卡對(duì)DUT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。兩端的監(jiān)視器檢測(cè)DUT的輸出數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)到DUT中的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存在自核對(duì)模塊中進(jìn)行比較，通過(guò)比較來(lái)檢查DUT傳輸數(shù)據(jù)是否正確。

編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以通過(guò)繼承RVM基類(lèi)庫(kù)中的rvm_xactor類(lèi)得到所需要的子類(lèi)，在子類(lèi)的代碼中加入需要實(shí)現(xiàn)的功能。

功能層
功能層包括將SIM卡事務(wù)轉(zhuǎn)化為ARM事務(wù)的事務(wù)處理器、實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)功能的事務(wù)處理器、自核對(duì)模塊。編程實(shí)現(xiàn)時(shí),事務(wù)處理器可以通過(guò)繼承RVM基類(lèi)庫(kù)中的rvm_xactor得到，在子類(lèi)的代碼中加入需要實(shí)現(xiàn)的功能。自核對(duì)模塊用于比較DUT的激勵(lì)和響應(yīng)是否符合要求。

激勵(lì)產(chǎn)生層
激勵(lì)產(chǎn)生層包括兩個(gè)Atomic產(chǎn)生器，兩個(gè)產(chǎn)生器是同一個(gè)類(lèi)的兩個(gè)對(duì)象。產(chǎn)生器為DUT產(chǎn)生隨機(jī)激勵(lì)，激勵(lì)封裝在一個(gè)事務(wù)中，通過(guò)事務(wù)通道傳到下層模塊中。兩端的產(chǎn)生器都是產(chǎn)生SIM卡事務(wù)的，ARM端有一個(gè)將SIM卡事務(wù)轉(zhuǎn)化為ARM事務(wù)的事務(wù)處理器來(lái)完成SIM卡事務(wù)向ARM事務(wù)的轉(zhuǎn)化。通過(guò)產(chǎn)生器可以隨機(jī)產(chǎn)生符合協(xié)議規(guī)范的激勵(lì)。編寫(xiě)代碼時(shí)，產(chǎn)生器可以通過(guò)調(diào)用RVM的宏rvm_atomic_gen很方便地實(shí)現(xiàn)。

測(cè)試層
在測(cè)試層，用戶(hù)可以編寫(xiě)不同的測(cè)試?yán)龑?duì)DUT的功能進(jìn)行驗(yàn)證。在測(cè)試?yán)?，通過(guò)對(duì)約束的限制、環(huán)境類(lèi)的例化、配置類(lèi)的約束來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DUT的功能覆蓋，以達(dá)到100%的功能覆蓋率。

驗(yàn)證平臺(tái)的重用
對(duì)單個(gè)模塊驗(yàn)證完畢之后可以進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證。根據(jù)RVM驗(yàn)證方法學(xué)搭建的層次化驗(yàn)證平臺(tái)可以被重用到系統(tǒng)級(jí)的驗(yàn)證中。系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證側(cè)重于檢查各模塊間的接口和數(shù)據(jù)交互是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范，某些模塊級(jí)驗(yàn)證的模塊可以被復(fù)用到系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證中。對(duì)SIMC模塊來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證時(shí)，ARM端的驅(qū)動(dòng)器、監(jiān)視器以及激勵(lì)產(chǎn)生器都可以被APB總線(xiàn)代替，SIM卡端的各模塊可以繼續(xù)使用，達(dá)到重用的目的。

應(yīng)用RVM驗(yàn)證方法的注意事項(xiàng)與技巧
RVM驗(yàn)證方法學(xué)由Synopsys公司提出，利用RVM驗(yàn)證方法學(xué)首選的編程語(yǔ)言是OpenVera硬件驗(yàn)證語(yǔ)言。筆者在應(yīng)用RVM驗(yàn)證方法學(xué)搭建驗(yàn)證平臺(tái)過(guò)程中的一些技巧和注意事項(xiàng)歸納如下：

1、 驗(yàn)證某個(gè)模塊前，首先要閱讀相關(guān)文檔，熟悉模塊的功能特性，然后搭建驗(yàn)證平臺(tái)的基本框圖，選擇RVM的相關(guān)技術(shù)，在驗(yàn)證平臺(tái)基本框圖指導(dǎo)下編程實(shí)現(xiàn)。
2、 驗(yàn)證平臺(tái)中功能覆蓋點(diǎn)的定義是驗(yàn)證成敗的關(guān)鍵，驗(yàn)證過(guò)程中利用RVM的覆蓋率驅(qū)動(dòng)技術(shù)，分析所定義的覆蓋點(diǎn)的覆蓋情況，改善該驗(yàn)證平臺(tái)，每個(gè)功能覆蓋點(diǎn)都必須被覆蓋到。
3、 RVM基類(lèi)庫(kù)提供了豐富的函數(shù)，但是Synopsys沒(méi)有開(kāi)放RVM基類(lèi)的源代碼，所以驗(yàn)證代碼的編寫(xiě)過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)查閱RVM文檔，盡量使用RVM基類(lèi)提供的函數(shù)，而不是自己去重新開(kāi)發(fā)一個(gè)函數(shù)。
4、 RVM驗(yàn)證平臺(tái)中各個(gè)模塊之間通信有很多種方法，可以用RVM的callbacks類(lèi)，也可以使用雙通道等。
5、 RVM為驗(yàn)證平臺(tái)中的進(jìn)程間通信提供了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如semaphore、region、mailbox等，編程時(shí)應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇。 例如，在某一時(shí)刻有多個(gè)并行的進(jìn)程對(duì)同一個(gè)信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，仿真工具會(huì)停止仿真并打印出錯(cuò)信息。解決的方法是應(yīng)用semaphores數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)進(jìn)程得到semaphore才可以驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)后再釋放semaphore供其他進(jìn)程使用。
6、 如果要打印信息，應(yīng)使用rvm_log類(lèi)而不是printf()函數(shù)。rvm_log類(lèi)除了將信息打印出來(lái)，還可以顯示出信息來(lái)源于驗(yàn)證平臺(tái)中的哪個(gè)模塊以及該模塊的仿真時(shí)間，便于編程人員調(diào)試代碼。
7、 隨機(jī)激勵(lì)的產(chǎn)生不是真正意義上的隨機(jī)，而是一種偽隨機(jī)。編程人員在多次運(yùn)行同一個(gè)測(cè)試?yán)龝r(shí)應(yīng)改變驗(yàn)證平臺(tái)的隨機(jī)種子，可通過(guò)調(diào)用srandom()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)
用RVM驗(yàn)證方法學(xué)搭建的層次化驗(yàn)證平臺(tái)將大大提高驗(yàn)證環(huán)境的執(zhí)行效率。RVM驗(yàn)證方法學(xué)中的隨機(jī)測(cè)試技術(shù)可以在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到更高的功能覆蓋率，提高驗(yàn)證工程師的工作效率，達(dá)到有效縮短驗(yàn)證周期的目的。

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