集成電路功能驗證方法

席筱穎

江蘇信息職業(yè)技術學院，江蘇無錫 214153

集成電路功能驗證方法

席筱穎

江蘇信息職業(yè)技術學院，江蘇無錫 214153

本文首先介紹幾種傳統(tǒng)的驗證方法并剖析其優(yōu)缺點，然后針對基于仿真的功能驗證引入提高驗證效率的方法。從生成高質量測試向量和檢測驗證程度的完備性兩方面介紹如何提高驗證效率。

功能驗證；基于覆蓋率的方法；測試矢量

0 引言

隨著半導體技術的發(fā)展，芯片設計的規(guī)模和復雜度也不斷增加。設計者在縮短設計周期同時，還要盡可能保證芯片設計的正確性，其關鍵的問題是設計驗證問題。目前，驗證所花費的時間大約占集成電路設計周期的70%～80%。正確性驗證已經逐漸成為大規(guī)模集成電路設計的主要瓶頸。當前驗證面臨的挑戰(zhàn)主要有以下幾個方面：

1）巨大的驗證空間；

2）驗證環(huán)境的可重用性；

3）驗證結果的數據一致性檢查；

4）驗證工作結束的標志。

1 傳統(tǒng)的功能驗證

目前，采用的驗證測試方法主要有3類：基于參數的驗證測試，基于結構的驗證測試，和基于功能的驗證測試。

功能驗證不考慮電路的結構，只考慮電路的功能流程，在驗證因果設計方案時是非常有用的。其仿真結果得到的測試向量還可以應用在檢驗生產廠家的產品上。目前針對微處理器的功能驗證可分為基于形式驗證的方法和基于仿真的驗證方法。

1.1 基于仿真的驗證

基于仿真的驗證又稱模擬驗證，其驗證過程是將驗證用的激勵向量加載到待測系統(tǒng)上進行運行，通過結果比較來驗證待測系統(tǒng)的功能正確性。根據仿真結果檢驗方式的不同，大致可分為協同仿真和自測檢驗兩類[1]。

1）協同仿真。協同仿真的方法是將激勵信號同時賦給待測系統(tǒng)和參考模型，并比較兩個系統(tǒng)的輸出是否一致，判斷待測系統(tǒng)的運作是否正確。理論上，協同仿真的測試向量可以是任意代碼。在實現時，協同仿真的測試激勵信號往往是系統(tǒng)以前版本積累下來的測試向量、應用程序或標準的Benchmark等。因此協同仿真的測試向量集更大，可驗證的邏輯更廣。在獲得待測系統(tǒng)響應輸出的同時將待測系統(tǒng)的模擬運行狀況記錄下來，通過覆蓋率統(tǒng)計工具進行分析，還可以獲得驗證的覆蓋率[3]。

2）自測檢驗。自測檢驗的方法是把帶有自測性質的測試向量作為激勵信號輸入到設計方案中，由運行結果體現系統(tǒng)行為。其測試向量包括兩部分內容：執(zhí)行某一特定功能的代碼和對系統(tǒng)行為的判斷。

1.2 基于形式的驗證

基于形式的驗證不采用傳統(tǒng)的激勵——響應機制，是一種無向量的驗證方法。形式驗證主要通過數學分析的方法來判斷某個設計是否在所有的輸入或狀態(tài)條件下能按預期的情況工作[3]。形式驗證將需要檢測的某個功能或設計缺陷抽象為一個公式或數學表達式，然后將整個電路系統(tǒng)也用數學方法抽象為某個或某組數學表達式，最后用數學的方法來證明前者是否滿足后者。

1.3 基于斷言的驗證

基于斷言的驗證（Assertion-Based Verification）是一種半形式驗證方法，其中斷言是一種主動性的注釋，能夠監(jiān)控信號、預測行為和禁止行為。在RTL級的驗證中正確應用基于斷言的驗證方法最為有效。

目前，形式驗證的研究和開發(fā)應用還不完善，尚不能作為一種驗證方法獨立使用。因此，基于仿真的功能驗證方法仍為當前普遍使用的驗證技術。

2 提高功能驗證效率的方法

基于仿真的功能驗證的方法是在輸入端將加載激勵信號，收集輸出端的響應信號，并對此做出分析。可見，如何產生高質量的測試激勵和如何判斷待測系統(tǒng)驗證程度成為功能驗證的兩個關鍵問題。

2.1 測試向量的生成

測試向量的生成主要有3種方法：手工編寫、偽隨機生成和針對流水線模型生成。手工編寫測試向量的方法具有較強的針對性，編寫的測試向量較為精簡，對于系統(tǒng)中一些諸如邊角情況等不易驗證的功能點進行驗證是十分有效的。但這種方法需要耗費大量人力和時間，無法滿足大規(guī)模集成電路驗證的要求。

另一種生成測試向量的方法是偽隨機方法。所謂的偽隨機是指在給定的約束條件下，大量生成任意組合的隨機序列。該技術已成為當前研究的重點，許多EDA廠商開發(fā)了相應的輔助工具集，如Cadence公司開發(fā)的TestBuilder等。通過偽隨機的方法產生的激勵既滿足特定條件，又可實現充分的隨機性，具有一定的可控性，大大節(jié)省了編寫測試激勵的時間。但由于其隨機性，會產生冗余向量，降低了驗證的效率。

針對流水線模型生成激勵的方式主要是在引起流水線沖突的條件下，驗證流水線沖突是否得到解決，其針對性強，效率較高。但無法驗證由非流水線沖突引起的設計錯誤，驗證的完備性較差。

通過以上3種方法的比較可以看出，對設計系統(tǒng)的驗證單獨使用某一種方法產生測試激勵不能達到驗證要求。所以在實際應用中，應根據待測系統(tǒng)的具體情況合理運用3種方法生成高效的測試向量，有效減少冗余向量，達到提高驗證效率的目的。

2.2 驗證完備性的度量

基于仿真的功能驗證方法由于受驗證時間和電路復雜程度的限制，無法窮舉所有的激勵向量，因此驗證程度是否完備成為驗證的另一個關鍵問題。

圖1 基于覆蓋率的驗證流程

傳統(tǒng)的驗證方法只能反映發(fā)現問題的數目，無法體現驗證程度，因此驗證人員無法把握驗證進度，這使得待測系統(tǒng)驗證的目的性不明確。因此，要想提高驗證的有效性，需要引入一個反饋環(huán)節(jié)來監(jiān)視并提高驗證的完備性。圖1顯示引入覆蓋率作為反饋環(huán)節(jié)的驗證流程。通過覆蓋率的分析來確定是否需要增加或調整測試向量，以達到理想的驗證目的。

覆蓋率技術按對驗證充分性衡量的不同標準，可分為：代碼覆蓋率，分支覆蓋率，條件表達式覆蓋率，路徑覆蓋率，信號翻轉率，功能點覆蓋率等。各種評估準則各有優(yōu)點和局限性，很難給出每種評估準則與其發(fā)現錯誤能力之間的定性關系。而實際應用中，單獨使用某個覆蓋率準則并不能充分體現驗證程度。為了更有效地衡量驗證的程度，需要把幾種覆蓋率結合起來。如代碼覆蓋反映HDL代碼被運行的徹底程度，功能覆蓋則從系統(tǒng)的角度來指示哪些功能被測試到，哪些功能沒測試到。幾種覆蓋率高度互補，可以達到很好的驗證效果。

3 結論

本文介紹了幾種傳統(tǒng)的功能驗證方法并剖析了其優(yōu)缺點，并針對基于仿真的功能驗證提出解決提高驗證效率的方法。采用多種測試向量生成方式相結合和在驗證過程中引入覆蓋率作為衡量驗證程度完備性的反饋，從而大大提高驗證過程的效率。

[1]解詠梅，張珩，張福新.基于覆蓋率的功能驗證方法[J].計算機應用研究，2005(1)：23-28.

[2]張蓓莉.微處理器基于功能覆蓋率的偽隨機驗證方法[J].計算機與信息技術，2006(4)：59-60.

[3]任宇，王以伍.VLSI設計中一種新型的功能驗證方法[J].微計算機信息，2006.

[4]劉卓軍，吳盡昭.集成電路驗證技術[J].中國基礎科學，2007(11)：11-13.

[5]顧震宇，虞志益，沈泊，章倩苓.基于仿真的32位RISC微處理器的功能驗證方法[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2004，25(4)：752-756.

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1674-6708（2010）32-0137-02