硬件仿真如何讓嵌入式系統(tǒng)便宜可靠

　　在當(dāng)今競爭激烈的形勢下，使富含嵌入式軟件的復(fù)雜電子設(shè)備更快面市，但是同時確保其更便宜更可靠，是一種相當(dāng)冒險的做法。未經(jīng)徹底測試的硬件設(shè)計不可避免地導(dǎo)致返工，增加設(shè)計成本并延長布局流程的網(wǎng)表交付時間，并最終延遲上市時間目標(biāo)，對收益源造成破壞性影響。

　　推遲嵌入式軟件的測試也潛藏有錯過上市機(jī)遇的可能，會帶來更嚴(yán)重的后果。

　　正因?yàn)槿绱?，?xiàng)目周期的驗(yàn)證部分極大地占用計劃時間變成了很常見的事情。其中的根本原因，在于跟蹤和消除錯誤極為不易，尤其是在片上系統(tǒng) (SoC) 的軟件內(nèi)容以每年約 200% 的速度增長的情況下。與此相反，設(shè)計的硬件部分僅增長約 50%。

　　硬件仿真作為系統(tǒng)驗(yàn)證的基礎(chǔ)

　　雖然虛擬原型和現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 原型在早期嵌入式軟件測試上已受到關(guān)注，但對于軟件和硬件的集成并無助益。前者缺乏追蹤硬件錯誤所需的硬件精確性，而對于盡快消除錯誤所需的硬件調(diào)試，后者能力有限。

　　因此，開發(fā)團(tuán)隊和項(xiàng)目經(jīng)理已轉(zhuǎn)而采用硬件仿真作為其驗(yàn)證策略的基礎(chǔ)。硬件仿真是一種多功能驗(yàn)證工具，有許多相關(guān)優(yōu)勢，包括軟硬件協(xié)同驗(yàn)證或測試硬件和軟件集成的功能。它已受到軟件開發(fā)者的注意，因?yàn)檫@是能夠確保嵌入式系統(tǒng)軟件通過底層硬件正常工作的唯一驗(yàn)證工具。對于致力于調(diào)試復(fù)雜 SoC 設(shè)計的硬件工程師來說，這也是值得注意的，因?yàn)楣こ處熆梢詰{借該方法追蹤硬件內(nèi)的軟件錯誤或軟件行為中的硬件錯誤。硬件仿真的其他優(yōu)勢包括快速匯編功能、軟件驗(yàn)證、全面的設(shè)計調(diào)試和可擴(kuò)展性，可滿足包括數(shù)十億應(yīng)用程序特定集成電路 (ASIC) 門的設(shè)計。此外，它能夠以驗(yàn)證嵌入式軟件和執(zhí)行系統(tǒng)驗(yàn)證必需的高速率來處理數(shù)十億驗(yàn)證周期(圖 1)。

　　過去，硬件調(diào)試和測試是項(xiàng)目周期驗(yàn)證部分的唯一工作，此作業(yè)由硬件描述語言 (HDL) 測試平臺驅(qū)動的邏輯軟件仿真進(jìn)行管理。傳統(tǒng)的大箱式硬件仿真只用于最大型的設(shè)計。很多開發(fā)團(tuán)隊已采用正式驗(yàn)證對軟件仿真進(jìn)行補(bǔ)充，以增加基礎(chǔ)覆蓋范圍并確保不遺漏特殊用例。但是，只有硬件仿真可以在比較可行的時間內(nèi)完成 SoC 設(shè)計的全部驗(yàn)證任務(wù)，并緩解與基于事件的軟件仿真相關(guān)的運(yùn)行問題。

　　都是軟件內(nèi)容的問題

　　SoC 的軟件內(nèi)容使協(xié)同驗(yàn)證成為驗(yàn)證策略中一個非常重要的部分，因?yàn)樗梢栽谕镀按_認(rèn)一個嵌入式 SoC 的硬件和軟件部分同時得到驗(yàn)證且正確交互。

　　過去，如果設(shè)計流片后發(fā)生硬件問題，軟件開發(fā)者必須盡其所能設(shè)法圍繞問題進(jìn)行編碼。在 SoC 完成之前驗(yàn)證軟件，設(shè)計團(tuán)隊可以在進(jìn)入硅片階段之前解決硬件問題。如前所述，硬件仿真檢查用于確保嵌入式軟件根據(jù)規(guī)范在硬件上運(yùn)行。

　　過去使用各種調(diào)試引擎進(jìn)行軟件調(diào)試。每種引擎有一個核心，充分利用硬件對處理器內(nèi)部工作的可視性和控制功能。雖然提供了部分調(diào)試功能，但由于處理器提供的接入方式，診斷問題的能力受限。此外，由于傳統(tǒng)軟件調(diào)試通常發(fā)生在實(shí)際系統(tǒng)中，軟件開發(fā)者以目標(biāo)系統(tǒng)速度在實(shí)際硬件上執(zhí)行實(shí)際代碼。這樣他們可以通過大量代碼迅速找到錯誤的程序。

　　這些傳統(tǒng)技術(shù)在調(diào)試 SoC 時無效，因?yàn)闆]有實(shí)際硬件，無法以真實(shí)系統(tǒng)速度執(zhí)行代碼。一般來說，只要執(zhí)行代碼且軟件模擬器提供所有硬件可視性，即可仿真硬件。但問題是速度 - 調(diào)試代碼是很慢的一種方法。

　　例如，如果 SoC 設(shè)計為在 Linux 上運(yùn)行程序，軟件開發(fā)者必須以數(shù)十億時鐘周期完成 Linux 啟動，軟件才能開始執(zhí)行。粗略估計這會以約 10 赫茲 (Hz) 的典型軟件仿真速度花費(fèi) 28 年以上完成 Linux 啟動。

　　不管調(diào)試硬件還是軟件，傳統(tǒng)硬件和軟件調(diào)試工具都無法得知彼此的任何情況。如果采用復(fù)雜的大型 SoC 設(shè)計，嘗試找到問題時獨(dú)立完成兩種調(diào)試是效率低下的。

　　兩者結(jié)合是最為理想的方法，這樣硬件仿真就可以節(jié)約時間。SoC 硬件通常在 FPGA 或其他可編程器件中實(shí)施，速度更快。在此設(shè)置中，根據(jù)運(yùn)行速度，最快可以 15 分鐘的速度完成 Linux 啟動。硬件仿真可提供與硬件調(diào)試器相似的斷點(diǎn)和波形控制及可視性。

　　確認(rèn) SoC 設(shè)計按預(yù)期工作

　　硬件仿真以其高性能(這是軟件需求推動的越來越重要的需求)在一眾驗(yàn)證工具中脫穎而出。它能夠確認(rèn) SoC 設(shè)計按計劃工作，并適于處理大到十億 ASIC 等效門的復(fù)雜設(shè)計，且每月可完成超過一萬億驗(yàn)證周期。即使是這樣，現(xiàn)階段使用硬件仿真進(jìn)行徹底詳盡的功能驗(yàn)證仍然是可用的最具成本效益且有效的調(diào)試方法(圖 2)。

　　引入事務(wù)級建模 (TLM) 和事務(wù)處理器可用性可將硬件仿真轉(zhuǎn)為一系列垂直市場的虛擬平臺測試環(huán)境。事務(wù)處理器作為驗(yàn)證知識產(chǎn)權(quán) (IP) 組合的一部分，是外設(shè)功能或協(xié)議的一種高級抽象模型。事務(wù)處理器通常作為現(xiàn)成 IP 提供，可用于各種不同的協(xié)議。典型的事務(wù)處理器通常包括 PCIe、USB、FireWire、Ethernet、Digital Video、RGB、HDMI、I2C、UART 和 JTAG 器件。

　　更好驗(yàn)證更多的復(fù)雜系統(tǒng)

　　先前，硬件設(shè)計獨(dú)立于要在芯片上執(zhí)行的軟件的開發(fā)。但今非昔比，由于 SoC 處理器數(shù)量翻倍且每代產(chǎn)品包含兩倍的軟件內(nèi)容，軟件問題成為開發(fā)團(tuán)隊和項(xiàng)目經(jīng)理優(yōu)先考慮的對象?，F(xiàn)在，開發(fā)團(tuán)隊證實(shí)預(yù)期軟件在硬件平臺正常工作后，SoC 才算完整。

　　SoC 是一個全面的嵌入式系統(tǒng)，需要進(jìn)行硬件仿真來驗(yàn)證其能否正常工作。通過硬件仿真，開發(fā)團(tuán)隊可以更策略性地進(jìn)行計劃，并根據(jù)多個抽象層面實(shí)施調(diào)試方法。他們可以同時在硬件和嵌入式軟件之間追蹤錯誤，確定問題所在。通過具有更高性價比且有效的方式，他們在這個過程中節(jié)約了時間，大幅降低錯過上市機(jī)遇的風(fēng)險。