基于VHDL語(yǔ)言的IP核驗(yàn)證

引言 

在IC(integrated circuit．集成電路)發(fā)展到超大規(guī)模階段的今天，基于IP(Intellectual Property，知識(shí)產(chǎn)權(quán))核的IC設(shè)計(jì)及其再利用是保證SoC(system onchip，片上系統(tǒng))開發(fā)效率和質(zhì)量的重要手段。如果能對(duì)IP核進(jìn)行驗(yàn)證、測(cè)試和集成．就可以加速SoC的設(shè)計(jì)，而這需要從以下5個(gè)方面進(jìn)行考慮。

代碼純化．指在代碼設(shè)計(jì)中及完成后進(jìn)行自定義的、IEEE標(biāo)準(zhǔn)的、設(shè)計(jì)重用的、可綜合性和可測(cè)試性等方面的規(guī)則檢查； 
代碼覆蓋率分析．研究仿真中的測(cè)試矢量是否足夠； 
設(shè)計(jì)性能和面積分析．在設(shè)計(jì)邏輯綜合過(guò)程中分析所設(shè)計(jì)的RTL所能達(dá)到的性能和面積要求； 
可測(cè)性分析：IP核設(shè)計(jì)重用中的關(guān)鍵技術(shù)。如何保證IP核的高測(cè)試覆蓋率,如何保證IP核在集成到SoC中后的可測(cè)試性．是該階段分析的主要目標(biāo)。所以在IP核實(shí)現(xiàn)之前．要檢查IP核設(shè)計(jì)中是否違反了可測(cè)性設(shè)計(jì)規(guī)則； 
低功耗分析：SoC的重要衡量指標(biāo)。我們?cè)贗P核設(shè)計(jì)階段就需要將TP核功耗參數(shù)進(jìn)行精確估計(jì)并進(jìn)行相應(yīng)的功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)； 

基于此．本文重點(diǎn)討論在IC設(shè)計(jì)過(guò)程中IP核的驗(yàn)證測(cè)試問(wèn)題并以互聯(lián)網(wǎng)上可免費(fèi)下載的原始IP核資源為例．在與8位RISC架構(gòu)指令兼容的微處理器下載成功。

1 IP核與RISC體系

1.1 IP核

IP核是具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成電路芯核的簡(jiǎn)稱其作用是把一組擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、在數(shù)字電路中常用但又比較復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)功能塊(如FIR濾波器SDRAM控制器、PCI接口等)設(shè)計(jì)成可修改參數(shù)的集成模塊構(gòu)成芯片的基本單位,以供設(shè)計(jì)時(shí)直接調(diào)用從而大大避免重復(fù)勞動(dòng)。

1.2 RISC處理器

RISC(reduced instruction set computer．精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī))是IBM公司提出來(lái)的、在CISC(complerinstruction set computer復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī))的基礎(chǔ),上繼承和發(fā)展起來(lái)的一種新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單指令合理成本低廉快捷高效等特點(diǎn)。應(yīng)用前景被普遍看好。國(guó)際IT領(lǐng)域的大公司如IBM、DEC、Intel、ARM、Motorola、Apple、HP等先后將其力量轉(zhuǎn)向RISC．并已經(jīng)開發(fā)出各種基于RISC的芯片或IP核。

SoC是進(jìn)行IA(Intel Architecture．智能家電)產(chǎn)品開發(fā)的主要方法．而基于RISC體系的EP(embedded processor，嵌入式處理器)則是SoC芯片的核心?？梢哉f(shuō)，RISC是當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

1.3 VHDI語(yǔ)言

VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language．集成電路硬件描述語(yǔ)言)與Verilog HDL程序都很適合用來(lái)設(shè)計(jì)架構(gòu)RCMP reconfigurable mICroprocessor，可重新規(guī)劃的微處理器)。為此．我們利用VHDL設(shè)計(jì)一種嵌入式RISC8微處理器及應(yīng)用芯片．設(shè)計(jì)后的IP核下載到FPGA(Field Programmable Gate Array．現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)芯片上做驗(yàn)證，并在開發(fā)板構(gòu)建視頻接口模塊等以利于調(diào)試和應(yīng)用。

2 IP核的仿真與測(cè)試

2.1 SoC的測(cè)試策略

SoC芯片的測(cè)試比傳統(tǒng)的ASIC測(cè)試要復(fù)雜得多．全面的功能測(cè)試通常是不現(xiàn)實(shí)的  目前常采用的策略是分別測(cè)試所有的電路功能模塊在SoC芯片中存在各種不同類型的電路模塊,每個(gè)模塊所要求的測(cè)試方式也不相同。SoC芯片中的模塊基本可以分為三類:CPU/DSP、存儲(chǔ)器模塊、其他功能電路模塊。CPU/DSP的測(cè)試與傳統(tǒng)的CPU/DSP測(cè)試類似．通常采用邊界掃描方式結(jié)合矢量測(cè)試方式。存儲(chǔ)器的測(cè)試一般采用BIST測(cè)試，比較快捷而容易控制。其他的電路模塊按設(shè)計(jì)難易程度或應(yīng)用方便性，采用邊界掃描或BIST。

2.2 IP核的測(cè)試方案

IP核的研究平臺(tái)有很多種．但一般硬件仿真調(diào)試器費(fèi)用昂貴(幾千到數(shù)萬(wàn)元)，對(duì)于普通用戶來(lái)說(shuō)難于承受。為此，本文利用免費(fèi)的IP核進(jìn)行改寫，利用Xilinx ISE開發(fā)軟件和匯編語(yǔ)言翻譯過(guò)來(lái)的機(jī)器碼作為測(cè)試激勵(lì)，完成了RISC結(jié)構(gòu)的Xilinx Spartan2系列的FPGA芯片CPU指令的驗(yàn)證和測(cè)試方案．具體方案如下：

(1)以VHDL/Verilog語(yǔ)言改寫或新寫8 bit pipelined RISC 結(jié)構(gòu)之處理器模塊、內(nèi)存控制器模塊以及視頻控制接口模塊．然后通過(guò)Xilinx ISE 4.1/5.2、ModelSim完成行為級(jí)仿真、綜合以及布局布線等。

(2)以某個(gè)應(yīng)用為例將C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫的測(cè)試算法程序存儲(chǔ)在SRAM中．實(shí)現(xiàn)嵌入式處理器及視頻控制接口并下載到FPGA．從而生成一塊可編程的控制器芯片構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)化SoC應(yīng)用。 


(3)如果SoC應(yīng)用成功．則可通過(guò)cell-Base Design Flow將其轉(zhuǎn)成ASIC版圖．實(shí)現(xiàn)流片。

2.3 IP核的驗(yàn)證方法

在芯片的設(shè)計(jì)流程中設(shè)計(jì)的驗(yàn)證是一個(gè)重要而又費(fèi)時(shí)的環(huán)節(jié)。在進(jìn)行Top_Down設(shè)計(jì)時(shí)．從行為級(jí)設(shè)計(jì)開始到RTT級(jí)設(shè)計(jì)再到門級(jí)設(shè)計(jì)相應(yīng)地利用EDA工具進(jìn)行各個(gè)級(jí)別的仿真．行為仿真和RTL級(jí)仿真屬于功能仿真其作用是驗(yàn)證設(shè)計(jì)模塊的邏輯功能  門級(jí)仿真是時(shí)序仿真用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)模塊的時(shí)序關(guān)系無(wú)論是功能仿真或是時(shí)序仿真仿真方法有兩種．即交互式仿真方法和測(cè)試平臺(tái)法

(1)交互式仿真方法。該方法主要是利用EDA工具提供的仿真器進(jìn)行模塊的仿真它允許在仿真期間對(duì)輸入信號(hào)賦值，指定仿真執(zhí)行時(shí)間，觀察輸出波形。當(dāng)系統(tǒng)的邏輯功能、時(shí)序關(guān)系達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，仿真結(jié)束。缺點(diǎn)是輸入輸出不便于記錄歸檔尤其是輸入量比較復(fù)雜時(shí)，輸出不便于觀察和比較

(2)程序仿真測(cè)試法。就是為設(shè)計(jì)模  
塊專門設(shè)計(jì)的仿真程序(也稱為測(cè)試程序),以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)模塊自動(dòng)輸入測(cè)試矢量，并通過(guò)波形輸出文件記錄輸出，便于將仿真結(jié)果記錄歸檔和比較。利用測(cè)試程序可以對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真。

2.4 IP核的測(cè)試仿真

綜上所述,下面給出RISC 8測(cè)試仿真實(shí)例。該測(cè)試仿真大致可分為5個(gè)步驟

(1)給Wave(波形)窗口添加信號(hào)。首先添加的是RISC 8的整體Structure(結(jié)構(gòu))信號(hào)。

(2)行為級(jí)仿真初步測(cè)試。在初步測(cè)試中．“portb”信號(hào)的輸出如果是“FX”，則說(shuō)明系統(tǒng)必然存在問(wèn)題；如果是“OX”則說(shuō)明系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。

(3)行為級(jí)仿真進(jìn)一步測(cè)試。在進(jìn)一步測(cè)試中，要注意的信號(hào)是romaddr、romdata以及各種指令控制信號(hào)。

(4)源程序修改，再仿真。在上一步中定位到出錯(cuò)的地方，然后回到源程序中找到所有出錯(cuò)信號(hào)出現(xiàn)的地方，仔細(xì)分析，并結(jié)合波形圖進(jìn)行修改，然后重復(fù)上述步驟進(jìn)行再仿真。

(5)布圖布線后的仿真(后仿真)。事實(shí)上在行為級(jí)仿真與后仿真之間還有3個(gè)仿真過(guò)程，但一般來(lái)說(shuō)只要能通過(guò)后仿真則其他的仿真也就沒(méi)有問(wèn)題。

在后仿真過(guò)程中，看一下“portb”的輸出是否與行為級(jí)仿真一致,若一致則測(cè)試通過(guò)。如果不一致則必須返回原程序和行為級(jí)仿真，對(duì)時(shí)序進(jìn)行仔細(xì)分析(因?yàn)檫@種情況大都是因?yàn)榧尤胙舆t后原來(lái)的時(shí)序發(fā)生改變)。

3 IP核在RISC架構(gòu)中的下載實(shí)例

3.1 RISC處理器的選擇與指令的測(cè)試

我們選用MICrochip公司生產(chǎn)的PICl6c5x-Xilinx Spartan2系列中的Xc2s150微處理器下載．因?yàn)槠銯PGA芯片架構(gòu)指令與8位RISC兼容．能夠很容易實(shí)現(xiàn)RISC架構(gòu)之指令集。

RISC的測(cè)試激勵(lì)文件是由匯編語(yǔ)言測(cè)試程序翻譯而得到的．例如test3程序測(cè)試循環(huán)移位．test5測(cè)試邏輯操作指令、test8測(cè)試端口等。

testl程序是測(cè)試incf和的decf指令的．行為級(jí)初步測(cè)試中，“portb”輸出為“01”，如3.3中所述，這并不能說(shuō)明沒(méi)有問(wèn)題接著做行為級(jí)進(jìn)一步測(cè)試

3.2 測(cè)試激勵(lì)程序的加載步驟與驗(yàn)證

選擇“Project”萊單中的“News Source”選項(xiàng)，在彈出的“New”對(duì)話框左側(cè)選擇文件類型為“Test Bench Waveform”，填入文件名，單擊下一步，在彈出的“select”對(duì)話框中選擇關(guān)聯(lián)的源為“anss_risc8_top”，單擊下一步．然后單擊“Finish”后會(huì)啟動(dòng)HDL Bencher．在這個(gè)軟件環(huán)境中可以輸入激勵(lì)信號(hào)最后將由匯編測(cè)試程序翻譯過(guò)來(lái)的機(jī)器碼信息作為激勵(lì)信號(hào)輸入保存．輸入測(cè)試時(shí)間后退出HDL Benche。

在進(jìn)一步測(cè)試中也沒(méi)有問(wèn)題,然后,我們可將測(cè)試程序進(jìn)行如下改變．

    incf x,f：X<=FE
    incf x,f；X<=FF
    incf x,f：X<=00
    incf x,f；X<=01
    decf x,f：X<=00
    decf x,f：X<=FF
    decf x,f：X<=FE

將程序中的最后一個(gè)incf改為的decf．這樣制造了一個(gè)錯(cuò)誤．重新進(jìn)行仿真,發(fā)現(xiàn)"portb"的輸出仍然為"01"而不是預(yù)想的"F1"。由此可見(jiàn)程序中存在問(wèn)題。仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出現(xiàn)在“btfss”變?yōu)?時(shí)．此時(shí)alu_z為1而實(shí)際上它應(yīng)該是0。由于alu_z出現(xiàn)在算術(shù)邏輯運(yùn)算模塊ALU的一個(gè)子模塊alu_dp中，因此對(duì)alu_dp進(jìn)行分析，在wave窗口中加入alu_dp模塊的信號(hào)，同時(shí)在ISE4.1i中打開alu_dp的源文件進(jìn)行分析.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)alu_z變?yōu)?是由于源程序中對(duì)alu_z的處理不完備．少考慮了一種情況。根據(jù)這種情況對(duì)源程序alu_dp.vhd進(jìn)行修改如下： 


　 a.signal bittest，temp：std_logIC_vector(7 downto 0)；
    --add signal temp
    b.u_zero：process(bittest,op,longq)
    begin
    if(bittest=ZEROBYTE)  and&n  
bsp; (op=ALU_OP_BITTESTCLR)
    then zero<='1';
    elsif(bittest/=ZEROBYTE)  and  (op=ALU_OP_BITTESTSET)
    then zero<='1';
    elsif longq(7 downto 0)=ZEROBYTE and(op/=ALUOP_BITTESTSET)
    then zero<='1';--new add
    elsif temp="zerobyte" and op="ALUOP"_BITTESTSET
    then zero<='1'；--new add
    else
    zero<='0';
    end if;
    end process;
    c.bittest<=bitdecoder and a;
    temp<=bitdecoder or a; --new add

修改存儲(chǔ)源程序后再次仿真的結(jié)果是正確的(即portb輸出為“F1”)。將測(cè)試程序恢復(fù)，仿真結(jié)果也是正確的。再進(jìn)行后仿真也正確．至此．test1程序測(cè)試完畢。

4 結(jié)束語(yǔ)

集成電路發(fā)展到超大規(guī)模階段后，芯片中凝聚的知識(shí)已經(jīng)高度濃縮。專有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IP核設(shè)計(jì)及其再利用是保證SoC開發(fā)效率和質(zhì)最的重要手段。 隨著CPLD/FPGA的規(guī)模越來(lái)越大，設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，IP核是必然的發(fā)展趨勢(shì)。