基于SV語(yǔ)言的DBA芯片的驗(yàn)證

董寶貴，張長(zhǎng)明，歐家成

（電子科技大學(xué) 光電信息學(xué)院，四川 成都 610054）

0 引言

在當(dāng)今百萬(wàn)門級(jí) ASIC項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，驗(yàn)證占用了大部分的時(shí)間。在人員構(gòu)成上，驗(yàn)證人員與設(shè)計(jì)人員之間的最佳比例應(yīng)該在2：1以上；而目前國(guó)內(nèi)各大IC設(shè)計(jì)公司的驗(yàn)證人員和設(shè)計(jì)人員的比例只有1：1。而按照摩爾定律，芯片上集成的電路的數(shù)目每 18個(gè)月翻一番。因此，無(wú)論是從人員構(gòu)成上還是從驗(yàn)證工作量上，驗(yàn)證工程師都面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。為此，各大ASIC公司試圖通過(guò)改進(jìn)驗(yàn)證方法、改善驗(yàn)證手段提高驗(yàn)證效率、縮短驗(yàn)證周期，他們?cè)噲D通過(guò)將驗(yàn)證環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化，以便能夠快速創(chuàng)建可移植的驗(yàn)證環(huán)境[3]和驗(yàn)證組件。比較常用的驗(yàn)證方法主要有基于E語(yǔ)言驗(yàn)證方法、RVM驗(yàn)證方法以及基于SV的VMM驗(yàn)證方法。與傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法相比，這些方法都可以提高驗(yàn)證的效率和驗(yàn)證的完備性，從而縮短芯片的開(kāi)發(fā)周期。

1 驗(yàn)證方法學(xué)

ASIC驗(yàn)證的方法主要包括模擬驗(yàn)證和形式驗(yàn)證。模擬驗(yàn)證是從電路的描述中提取模型，通過(guò)觀察該模型在外部激勵(lì)下的反應(yīng)來(lái)判斷電路是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。形式驗(yàn)證是將系統(tǒng)的規(guī)格說(shuō)明使用一種形式語(yǔ)言描述出來(lái)，然后通過(guò)構(gòu)造算法或理論證明驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

模擬驗(yàn)證主要包括軟件模擬、硬件仿真以及后期測(cè)試三個(gè)階段。軟件模擬是建立系統(tǒng)的模型，并通過(guò)軟件不斷的模擬驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，這種方法是目前應(yīng)用最廣泛的驗(yàn)證方法；但是這種驗(yàn)證方法很難發(fā)現(xiàn)隱藏在設(shè)計(jì)深處的錯(cuò)誤，比如異步電路（BUG）。硬件仿真是通過(guò)相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能來(lái)進(jìn)行仿真，這種仿真相對(duì)于軟件仿真效率低下，只能作為軟件仿真的補(bǔ)充。形式驗(yàn)證作為模擬驗(yàn)證方法學(xué)的補(bǔ)充，日益引起人們的關(guān)注。它將系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范以及系統(tǒng)的性質(zhì)使用數(shù)學(xué)方式表達(dá)出來(lái)，并通過(guò)數(shù)學(xué)理論證明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范及性能的要求，但是這種驗(yàn)證方法算法復(fù)雜、不易實(shí)現(xiàn)。

SV驗(yàn)證方法學(xué)[4]是在模擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)上增加了形式驗(yàn)證的方法，是模擬驗(yàn)證和形式驗(yàn)證的結(jié)合體。它采用以覆蓋率為導(dǎo)向的技術(shù)、受約束的隨機(jī)技術(shù)和基于斷言的技術(shù)來(lái)構(gòu)建全面的驗(yàn)證環(huán)境。這種驗(yàn)證方法充分利用了SV語(yǔ)言中提供的表示時(shí)域的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，通過(guò)這些時(shí)域結(jié)構(gòu)能精確地表達(dá)設(shè)計(jì)指標(biāo)的需求和意圖。這種方法學(xué)通過(guò)插入斷言代替形式驗(yàn)證語(yǔ)言完成模型檢驗(yàn)算法中功能屬性的描述工作。此外，受約束的隨機(jī)技術(shù)也是該驗(yàn)證方法學(xué)的亮點(diǎn)之一，通過(guò)隨機(jī)約束產(chǎn)生需要的激勵(lì)，而不是毫無(wú)目的的隨機(jī)測(cè)試，從而使窮舉成為可能。

2 VMM驗(yàn)證架構(gòu)

基于SV驗(yàn)證方法學(xué)[5]，Synopsys公司推出了VMM驗(yàn)證平臺(tái)。它是基于類庫(kù)、面向?qū)ο蟮尿?yàn)證平臺(tái)；它采用了斷言、抽象、自動(dòng)化和重用四種機(jī)制提高驗(yàn)證生產(chǎn)率。這種架構(gòu)能夠最大程度地利用 SV語(yǔ)言的面向?qū)ο蟮木幊棠Ｊ綄?shí)現(xiàn)驗(yàn)證組件，并將他們組合成為一個(gè)強(qiáng)大的驗(yàn)證環(huán)境，而且這個(gè)驗(yàn)證環(huán)境能夠滿足某一DUT的所有必要的測(cè)試案例。VMM定義的分層次的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 VMM驗(yàn)證架構(gòu)

測(cè)試層主要完成幾個(gè)功能：數(shù)據(jù)發(fā)生器的附加約束、隨機(jī)場(chǎng)景的定義、事務(wù)處理器之間的同步、錯(cuò)誤插入的使能配置、被測(cè)設(shè)計(jì)的狀態(tài)監(jiān)控和定向激勵(lì)等。生成器主要是根據(jù)環(huán)境本身的約束和測(cè)試層增加的附加約束生成需要的數(shù)據(jù)包(如以太網(wǎng)報(bào)文)并將數(shù)據(jù)包傳送到驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器是對(duì)來(lái)自生成器的數(shù)據(jù)包進(jìn)一步處理并將處理后的報(bào)文(如 IP報(bào)文[6])分復(fù)制成兩份進(jìn)行傳送，一份發(fā)送到驅(qū)動(dòng)器，另一份通過(guò)CALLBACK機(jī)制發(fā)送到自檢器。自檢器是一個(gè)參考模型，其內(nèi)部完成的功能[7]與DUT完成的功能是相同的，只是沒(méi)有時(shí)序的概念，通過(guò)將DUT輸出的結(jié)果與自檢器內(nèi)部計(jì)算的結(jié)果相比較從而確定設(shè)計(jì)的正確性。指令層的驅(qū)動(dòng)器是將數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送到DUT，區(qū)別于功能層的驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器通過(guò)接口直接與DUT的信號(hào)線相連，具有時(shí)序的概念，而功能層的驅(qū)動(dòng)器與其它組件相連都是通道的形式直接傳送整個(gè)包。兩個(gè)檢查器主要完成接口信號(hào)時(shí)序的檢查，一般采用斷言來(lái)完成。檢測(cè)器主要是接收DUT輸出的結(jié)果并將結(jié)果打包發(fā)送的自檢器進(jìn)行比較。

3 DBA驗(yàn)證環(huán)境架構(gòu)

DBA模塊的IT驗(yàn)證環(huán)境采用上述介紹的VMM架構(gòu)，是一個(gè)層次化的驗(yàn)證環(huán)境。驗(yàn)證環(huán)境架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 DBA驗(yàn)證環(huán)境

整個(gè)環(huán)境主要由測(cè)試向量(Test Case)、數(shù)據(jù)包產(chǎn)生模塊(GEN)、總線功能模型(BFM)、參考模型(RM)和比較(自校驗(yàn))模塊組成。其中測(cè)試向量是驗(yàn)證環(huán)境的最高層，每條測(cè)試用例對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)功能測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試用例下面對(duì)應(yīng)的直接是功能層，主要包括 RM和自校驗(yàn)兩個(gè)組件。該層主要用于產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)包激勵(lì)，完成包級(jí)的模型處理和自動(dòng)化比較。RM組件作為DBA的參考模型，主要是用軟件實(shí)現(xiàn)DBA模塊的功能，并將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到自校驗(yàn)。自校驗(yàn)組件主要是將DUT的輸出結(jié)果與RM計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，判斷兩者的計(jì)算結(jié)果是否一致。驗(yàn)證環(huán)境的命令層主要包括各種總線功能模型，驅(qū)動(dòng)型總線功能模型[8](RPT_BFM和MPI_BFM)主要功能是為數(shù)據(jù)包激勵(lì)加上時(shí)序信息，依次驅(qū)動(dòng)DUT的接口信號(hào)；檢測(cè)型功能組件(GATE_BFM)主要是采樣DUT接口信號(hào)的數(shù)據(jù)并將采樣到的數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到自校驗(yàn)。

4 DBA驗(yàn)證環(huán)境實(shí)現(xiàn)

4.1 配置激勵(lì)設(shè)計(jì)

配置激勵(lì)主要是指DBA正常工作需要配置的寄存器和配置表。配置信息是由CPU按照英特爾時(shí)序或者摩托羅拉時(shí)序通過(guò)總線的方式寫入到DBA內(nèi)部，然后由DBA內(nèi)部的DIO模塊送到寄存器內(nèi)部。除寄存器以外，CPU還需要完成表項(xiàng)的配置。DBA內(nèi)部包含的配置表項(xiàng)主要是帶寬配置表、LLID索引表和時(shí)間表等。其中帶寬配置表中的包含了固定帶寬、保證帶寬和盡力而為帶寬的配置值，時(shí)間表中包含了每個(gè)LLID的激光器開(kāi)關(guān)時(shí)間，LLID索引表主要用于描述ONU與LLID的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其相當(dāng)于256個(gè)鏈表，每個(gè)鏈表對(duì)應(yīng)ONU，鏈表中的成員表示對(duì)應(yīng)于該ONU的8個(gè)LLID。MPI激勵(lì)和表項(xiàng)定義如圖3所示。

圖3 配置激勵(lì)和表項(xiàng)信息

4.2 數(shù)據(jù)激勵(lì)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)激勵(lì)主要是指ONU的上報(bào)信息，產(chǎn)生該激勵(lì)可以采用兩種方法，一種是直接上報(bào)，另一種是帶反饋的上報(bào)。直接上報(bào)是指每次上報(bào)的值都是隨機(jī)的，即當(dāng)前周期的請(qǐng)求帶寬和下個(gè)周期的請(qǐng)求帶寬之間沒(méi)有任何聯(lián)系；這種上報(bào)機(jī)制將面臨著嚴(yán)重的考驗(yàn)，請(qǐng)求帶寬值的浮動(dòng)非常大，同時(shí)由于沒(méi)有反饋，所以這時(shí)的驗(yàn)證環(huán)境實(shí)際上是開(kāi)環(huán)的。帶反饋的上報(bào)是指當(dāng)前上報(bào)的請(qǐng)求帶寬值會(huì)把上次上報(bào)的請(qǐng)求帶寬和實(shí)際授權(quán)的帶寬作為參考值，并依次計(jì)算出當(dāng)前實(shí)際應(yīng)該上報(bào)的請(qǐng)求帶寬值，如圖4所示。

實(shí)際應(yīng)用中，從ONU上報(bào)請(qǐng)求帶寬到DBA授權(quán)時(shí)隙給ONU就是一個(gè)反饋環(huán)。比如隊(duì)列中緩存200個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，但是DBA授權(quán)給該ONU的時(shí)隙只有50個(gè)字節(jié)，ONU發(fā)送完50個(gè)字節(jié)后仍剩余150個(gè)字節(jié)，這150個(gè)字節(jié)會(huì)成為下周期請(qǐng)求帶寬的一部分再進(jìn)行上報(bào)。此外，ONU側(cè)是否需要上報(bào)是根據(jù)授權(quán)幀中的FLAG標(biāo)志位決定的，如果ONU收到的授權(quán)中該標(biāo)識(shí)為 1，則此周期必須上報(bào)請(qǐng)求帶寬值，反之，則不上報(bào)；所以從這方面來(lái)說(shuō)驗(yàn)證環(huán)境也必須設(shè)計(jì)成反饋環(huán)的形式，上報(bào)機(jī)制以激勵(lì)實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 上報(bào)機(jī)制及激勵(lì)實(shí)現(xiàn)

4.3 BFM設(shè)計(jì)

RPT_BFM連接著包產(chǎn)生模塊RPT_GEN和設(shè)計(jì)模塊DBA，它的主要功能包括兩個(gè)方面：①對(duì) RPT_GEN產(chǎn)生的原始包進(jìn)行再處理，如插入報(bào)告信息，插入錯(cuò)誤包，丟包、反饋環(huán)的實(shí)現(xiàn)等；②將所有報(bào)告信息轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng) DUT的接口信號(hào)。其中RPT_GEN產(chǎn)生ONU的請(qǐng)求帶寬值，RPT_BFM在授權(quán)時(shí)隙到來(lái)且上報(bào)標(biāo)志位有效時(shí)將請(qǐng)求帶寬值賦值到DBA的接口模塊。

作為10GEPON的一部分，DBA根據(jù)ONU的上報(bào)信息計(jì)算出每個(gè) LLID的授權(quán)，并將授權(quán)的信息發(fā)送給 OLT_MAC模塊，OLT_MAC再將授權(quán)信息封裝成授權(quán)幀的形式下發(fā)到ONU。所以GATE_BFM模塊就相當(dāng)于OLT_MAC的成幀模塊，它將每個(gè)周期所有LLID的授權(quán)信息接收下來(lái)，將他們封裝成包的形式發(fā)送到checker。帶寬下發(fā)過(guò)程中，GATE_BFM首先發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)和地址(LLID)，DBA收到請(qǐng)求信號(hào)后將相應(yīng)地址(LLID)的數(shù)據(jù)授權(quán)送出，同時(shí)拉高VLD信號(hào)。GATE_BFM模塊檢測(cè)到VLD信號(hào)有效后接收授權(quán)數(shù)據(jù)；等一個(gè)周期的授權(quán)收集完畢后將所有發(fā)送到自校驗(yàn)進(jìn)行比較。

CPU_BFM完成的主要功能包括兩個(gè)方面：①在DBA的初始化過(guò)程中依次寫入DBA的表項(xiàng)和寄存器配置信息；②在DBA的工作過(guò)程中動(dòng)態(tài)配置表項(xiàng)和寄存器，同時(shí)響應(yīng)DBA模塊產(chǎn)生的中斷。CPU的接口時(shí)序主要包括摩托羅拉時(shí)序和英特爾時(shí)序，這里采用英特爾時(shí)序。

4.4 RM設(shè)計(jì)

參考模型是指將 DBA的整個(gè)功能使用軟件編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)驗(yàn)證環(huán)境中最復(fù)雜的一個(gè)組件。相比于設(shè)計(jì)模塊，參考模型的抽象層次更高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更容易。為了使參考模型和設(shè)計(jì)模塊的功能達(dá)成一致，參考模型在整體架構(gòu)上和設(shè)計(jì)模塊相似。主要不同點(diǎn)在于幾個(gè)方面：①參考模型中模塊之間劃分相對(duì)比較模糊。參考模型中的每個(gè)子模塊可能就是一個(gè)供主函數(shù)調(diào)用的子函數(shù)，模型中模塊與模塊之間的接口信號(hào)就是函數(shù)的參數(shù)。而在設(shè)計(jì)模塊中，每個(gè)子模塊被定義成一個(gè)模塊，然后將子模塊通過(guò)接口信號(hào)連接起來(lái)；②參考模型中代碼的執(zhí)行沒(méi)有時(shí)序的概念，即代碼從收集帶寬上報(bào)到計(jì)算出結(jié)果不需要任何時(shí)間。而在設(shè)計(jì)模塊中，代碼隨著時(shí)鐘的跳變分步執(zhí)行，從收集上報(bào)到計(jì)算出結(jié)果需要一段時(shí)間。在驗(yàn)證環(huán)境中，必須將無(wú)時(shí)序的參考模型與有時(shí)序的設(shè)計(jì)模塊同步起來(lái)。

4.5 自校驗(yàn)設(shè)計(jì)

仿真校對(duì)按仿真前后不同主要分為兩種：仿真前校對(duì)和仿真后校對(duì)。仿真前校對(duì)方式中緩存的是預(yù)測(cè)的結(jié)果以及驅(qū)動(dòng)DUT的激勵(lì)，而仿真后校對(duì)方式中緩存的是DUT的響應(yīng)以及驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)響應(yīng)模塊的激勵(lì)。在仿真前校對(duì)方式中，每當(dāng)從驅(qū)動(dòng)DUT的緩存中取出一個(gè)激勵(lì)信號(hào)就會(huì)在響應(yīng)模塊產(chǎn)生一組響應(yīng)結(jié)果；比較模塊通過(guò)讀取響應(yīng)模塊的計(jì)算結(jié)果和預(yù)測(cè)響應(yīng)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)結(jié)果的動(dòng)態(tài)校對(duì)。在仿真后校對(duì)方式中，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)模塊的激勵(lì)和DUT計(jì)算的結(jié)果在仿真結(jié)束后才加到相應(yīng)的模塊。

這里驗(yàn)證環(huán)境中采用的是仿真前的校對(duì)方式。校對(duì)模塊主要包括兩路輸入，一路來(lái)自 RM，另一路來(lái)自 GATE_BFM，當(dāng)GATE_BFM從DUT接收完一個(gè)周期的所有授權(quán)后，校對(duì)模塊立即從參考模型中獲取RM的計(jì)算結(jié)果，并將它和GATE_BFM模塊過(guò)來(lái)的授權(quán)信息作比較；如果兩者的結(jié)果不同，則認(rèn)為比較出錯(cuò)，并打印出錯(cuò)的相關(guān)信息。

5 仿真結(jié)果

環(huán)境搭建完畢并調(diào)試通過(guò)后，開(kāi)始運(yùn)行DBA的測(cè)試用例，并根據(jù)輸出的log文件和波形文件定位設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題。相比于傳統(tǒng)的驗(yàn)證方法，此方法極大的利用了驗(yàn)證組件的重用性、提高了驗(yàn)證的效率，使驗(yàn)證的周期大大縮短，圖5分別為驗(yàn)證過(guò)程打印的log文件。

圖5 輸出的log信息

6 結(jié)語(yǔ)

基于SV語(yǔ)言的VMM架構(gòu)是目前業(yè)界比較主流的驗(yàn)證方法學(xué)，它充分利用了SV語(yǔ)言中提供的隨機(jī)約束機(jī)制和斷言機(jī)制，改變了傳統(tǒng)的以直接測(cè)試激勵(lì)為主的驗(yàn)證方法，是以覆蓋率為導(dǎo)向的驗(yàn)證方法學(xué)。驗(yàn)證結(jié)果表明，這種層次化的驗(yàn)證平臺(tái)使整個(gè)驗(yàn)證環(huán)境更具有靈活性和重用性，從而極大的提高驗(yàn)證的效率和驗(yàn)證的完備性、大大縮短芯片的開(kāi)發(fā)周期。

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