基于UVM的總線仲裁模塊的驗證研究

袁儒明，陳迎春，汪楊，陳紹輝

（合肥工業大學，安徽合肥，230009）

0 引言

驗證工作起始于設計規格書或者需求書。從架構的設計，行為級的系統建模到RTL建模的設計，甚至到最后的網表設計和后端的詳細布局，驗證工作貫穿在芯片設計的整個過程中[1]。因此，對硬件電路的仿真和驗證就成為了影響項目進度的瓶頸，往往占整個IC開發周期70%左右的時間[2]。

傳統的驗證語言存在抽象建模能力不足，不易擴展和維護，缺少帶約束的隨機激勵，仿真速度慢等缺點[3]，已經遠遠不能滿足當前驗證的需要。UVM是Accellera公司于2011年推出的基于systemverilog語言的通用驗證方法學，其主體來源為OVM，同時又采納了Synopsys在VMM中的寄存器解決方案RAL[4]。UVM克服了OVM和VMM各自的缺點，成為目前最主流的驗證方法學，指引了驗證方法學的發展方向。

本文通過重用驗證組件、繼承驗證場景和重用驗證序列，實現了不同模塊的功能驗證，縮短了驗證周期，提高了驗證效率。

1 總線仲裁模塊

為了解決多個主設備同時競爭總線的控制權的問題，應當采用總線仲裁部件，以某種方式選擇一個主設備優先獲得總線控制權。只有獲得了總線控制權的設備，才能開始傳送數據。

本模塊采用主設備控制模式，對總線有控制權，信息的傳送是由主設備啟動的，仲裁框圖如圖1所示。

圖1 總線仲裁框圖

工作流程：

（1）主設備發送請求信號；

（2）若多個主設備同時需要使用總線，總線控制器根據仲裁邏輯、判優按一定的優先等級順序確定可以使用總線的主設備；

（3）獲得總線使用權的主設備開始傳送數據。

2 UVM驗證的重用性

■2.1 通用UVM平臺

UVM提供了一系列標準類，如uvm_test、uvm_env、uvm_agent、uvm_driver、 uvm_monitor、uvm_sequence、uvm_sequencer等。UVM方法學將uvm_driver、uvm_monitor、 uvm_sequencer封裝成uvm_agent類，這些可配置、可重用的組件(Universal Verification Component,UVC) 作為最重要的可重用組件能夠加快驗證的實施[5-6]。

在UVM驗證平臺中，以UVC為基礎，把類uvm_driver、uvm_monitor封裝成uvm_agent后，在uvm_env中只需要實例化uvm_agent，而不需要再直接實例化uvm_driver和uvm_monitor[7-8]，UVM通用平臺如圖2所示。

圖2 UVM通用平臺

基于UVM的Factory機制，重載驗證平臺中的組件，避免重復開發，具有很強的靈活性[9-10]。

■2.2 驗證組件的可重用性實現

當對總線仲裁模塊和主設備模塊進行整體模塊的功能驗證時，采用驗證組件橫向的重用性，重用總線仲裁模塊的驗證組件。橫向的可重用性是指驗證組件在不同的IP驗證中的重用，不同的IP具有相同的總線接口。

本文首先對仲裁模塊進行功能驗證，并且采用了兩個UVC組件。兩個UVC組件的結構是一致的，不同的是，UVC1的主要功能是用來發送激勵和接收總線仲裁模塊輸出的數據，UVC2的主要功能是用來模擬總線仲裁模塊的功能，DUT模塊為dut_dummy.v，即為總線仲裁模塊。兩個UVC組件的monitor模塊收集數據并發送到bus_monitor模塊中，bus_monitor把數據發送到scoreboard模塊中進行比較。在scoreboard中會校對發送和接收的數據，以及總線的讀寫模式。總線仲裁模塊驗證環境如圖3所示。

圖3 總線仲裁模塊的驗證環境

本文主設備選用2個UART模塊。當對總線仲裁模塊和主設備模塊進行整體模塊的功能驗證時，DUT模塊為top.v模塊，top.v模塊包含總線仲裁模塊和UART模塊。因UART模塊為內部數據模塊，對IP的接口不產生影響，所以采用驗證的橫向可重用性，重用UVC1和UVC2組件，整體模塊的驗證組件重用方式如圖4所示。其中，IP1是總線仲裁模塊，IP2是top.v模塊，在對IP2的驗證中，驗證環境重用了IP1的UVC1和UVC2組件，實現了驗證組件的重用性。

圖4 驗證重用方式

本文在對整體模塊進行功能驗證時，重用了圖3所示的驗證環境uvm_env，同時通過繼承uvm_base的方式創建了三個新的base_test類test_2m_4s、test_r8_w8_r4_w4和test_read_modify_write，這三個類分別在每個base_test類中創建新的測試用例，從而實現了驗證場景的繼承，驗證場景的繼承方式如圖5所示。

圖5 驗證場景的繼承

■2.3 驗證序列的可重用性實現

可重用性不僅表現在驗證組件的可重用性上，也體現在測試用例的可重用上。在UVM平臺中，測試用例的重用方式以驗證序列的重用為基礎。一般通過三種方式重用驗證序列：一是組合重用，二是繼承重用，三是模塊級測試用例到系統級的重用。組合重用是指通過不同的排列組合規劃已有的序列生成新的序列。繼承重用是指通過類的繼承，重用先前類的屬性和方法，繼承已有的序列生成新的序列。本文主要使用組合重用和繼承重用兩種方法。在使用組合重用的過程中，對已經開發完成的讀、寫操作組合成讀后寫等新的操作。在使用繼承重用的過程中，本文通過添加新的控制屬性或者修改已有的約束條件，生成不同的測試用例，測試用例如表1所示。

表1 仲裁模塊測試用例列表

3 驗證結果分析

■3.1 總線仲裁模塊的驗證結果分析

總線仲裁模塊主要驗證多個主設備同時競爭總線的控制權，本文選用兩個UART模塊掛載到總線仲裁模塊上。總線仲裁模塊驗證結果顯示，master和slave選擇0位的設備優先獲得總線的控制權，讀模式打印的結果是READ，寫模式打印的結果是WRITE，讀寫的數據是data。如圖6和圖7所示，設備0獲得優先的總線控制權，然后對數據進行讀寫，寫出的數據比讀出的數據少1。

圖6 讀模式

圖7 寫模式

■3.2 覆蓋率結果分析

通過添加不同的激勵，不斷的提高驗證的完備性，驗證覆蓋率結果如圖8所示。其中，語句覆蓋率達到100%，行覆蓋率達到100%，翻轉覆蓋率達到100%。

圖8 覆蓋率報告

通過UVM報告可以看出，scoreboard對實際數據和預取數據進行對比，分別實現讀寫對比，scoreboard數據對比如圖9所示。

圖9 scoreboard數據對比

4 結束語

UVM方法學吸收主流方法學的優點，不僅功能強大，而且架構清晰，在可重用性等方面具有很大的優勢，使得驗證難度被有效分解，縮短了流程，加快了驗證的實施。本文基于UVM環境，對驗證組件進行重用，快速的完成了總線仲裁模塊功能驗證，以及整體模塊的驗證工作，驗證效率得到大幅提升，在實際應用中具有很高的利用價值。