（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的yak+soc原型验证平台设计与实现.pdf

1 、 ：、 已：t j 。j , j p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 易o t o , 6 墨 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导，乏名：丝堕吼鲨丝盟 摘要 摘要 随着电子工艺水平越来越高，s o e ( 系统芯片) 设计已经成为目前电子系统设 计的主流。但是随着嵌入式系统集成度越来越高，对系统验证提出了极大的挑战。 目前s o c 验证所需资源已占整个设计资源的6 0 一8 0 ，可见验证已经成为s o c 设计及其实现的最大技术瓶颈。在系统芯片s o c 的验证中，功能验证成为制约芯 片发展的首要制约因素。虽然仿真器( s i m u l a t o r ) 采用各种方法来提高自身的仿 真速度，但是硬件仿真器对硬件的功能进行仿真是计算机按照硬件的数学模型， 通过计算的方法来模拟硬件电路的动作。随着芯片的规模越来越大，硬件的模型 也必将越来越复杂，对硬件进行模拟的计算量也急剧增加。单纯利用硬件仿真器 进行硬件仿真的方法已经力所不及，仿真器的仿真速度越来越慢。业界迫切的需 要找到某种更加完备的设计与验证方法来提高s o c 设计的效率和可靠性，因此原 型验证技术应运而生。原型验证技术的本质在于快速地实现s o e 设计中的硬件模 块，让软件模块在真正的硬件环境中高速运行，从而实现s o e 设计的软硬件协同 验证。 随着f p g a 在密度和复杂度上的发展，大规模f p g a 器件一般都嵌入微处理器， i p 核以及多种高速接口标准，同时f p g a 具有逻辑静态可编程和在线动态重构特 性，使得f p g a 成为一种理想的原型验证器件。 本文的主要研究内容是基于f p g a 的原型验证技术。本文从方法论角度针对 f p g a 原型验证技术进行相关研究，在此基础上，针对本实验室项目组的y a ks o e 项目设计了适用的f p g a 原型验证平台。主要工作包括原型平台原理图设计及其 p e b 设计，完成f p g h 原型平台硬件设计；完成y a ks o c 的a s i c 版本到f p g a 的 移植，并针对f p g a 标准单元库，在a s i c 仿真环境下完成部分功能仿真；最终完 成y a ks o e 在原型验证平台上的硬件原型实现，配合项目组成员完成相关软件移 植，实现软硬件协同验证。 通过对该课题的研究，不仅从理论上对原型验证技术加深了解，而且从结果 上完成了相关课题实现，是一次有益的研究和尝试。 关键词：系统芯片，原型验证，平台，f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , s o c ( s y s t e mo nc h i p ) d e s i g ni sb e c o m i n gt h em a i n s t r e a mi ne l e c t r o n i cd e s i g n h o w e v e r , a sm o r ea n dm o r e e o r n p l e x i t yo fd e s i g n ，s y s t e mv e r i f i c a t i o nm a k e sag r e a tc h a l l e n g e c u r r e n t l y , a b o u t 6 0 t o8 0 t i m ei ss p e n ti nv e r i f i c a t i o nf o rs o cd e s i g n ，s ov e r i f i c a t i o ni st h el a r g e s t t e c h n o l o g yb o t t l e n e c ko fs o cd e s i g n a n da l li nt h i s ，f u n c t i o nv e r i f i c a t i o ni sp r i m a r y c h a l l e n g e t h o u g ht h ee m u l a t o ru s i n gav a r i e t yo fw a y st oi m p r o v es i m u l a t i o ns p e e d ， h o w e v e r , h a r d w a r e s i m u l a t o ri s a c c o r d i n g t om a t h e m a t i c a lm o d e lt os i m u l a t e h a r d w a r ea n dc a l c u l a t et h eh a r d w a r ea c t i o n w i t ht h ei n c r e a s i n gs i z eo fc h i p ， h a r d w a r em o d e lw o u l db em o r ea n dm o r ec o m p l e x i t y , a n dt h ec o m p u t a t i o n a l s i m u l a t i o no fh a r d w a r ei sa l s oi n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y , s oh a r d w a r ee r n u l a t o ri ss l o w e r a n ds l o w e r t h ei n d u s t r yu r g e n tn e e df i n ds o m ek i n do fe 伍c i e n tv e r i f i c a t i o nm e t h o d t os p e e du pv e r i f i c a t i o n ，a n dp r o t o t y p ev e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yc a m ei n t ob e i n g 1 1 1 e 髑e n e eo fp r o t o t y p ev e r i f i c a t i o ni st oa c h i e v eh a r d w a r e m o d u l e so fs o c q u i c k l y , a n d t om a k eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo p e r a t ei nr e a lh i 曲一s p e e de n v i r o n m e n t i nt h i sw a y , h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a na se a r l ya sp o s s i b l et oi m p l e m e n ta n dc o v e r i f y , a n ds o m e f u n c t i o ne r r o rc a nb ef o u n da ss o o na sp o s s i b l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd e n s i t ya n dc o m p l e x i t yo nf p g a a n ds o m el a r g e - s c a l e f p g ag e n e r a l l ye m b e dm i c r o p r o c e s s o r , i pc o r e v a r i e t yo f h i g hs p e e di n t e r f a c ea n ds o o n ；w h a t sm o r e ， f p g ah a sf e a t u r e so fl o g i c p r o g r a m m a b l e a n dd y n a m i c r e c o n s t r u c t i o n t h e s ef e a t u r e sm a k ef p g ab e c o m eai d e a lp r o t o t y p ev e r i f i c a t i o n d e v i c e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti nt h i sp a p e ri sp r o t o t y p ev e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e d o nf p g a r e s e a r c ht h em e t h o d o l o g i c a lo fp r o t o t y p e ，a n db a s e do nt h i s ，d e s i g na f p g ap r o t o t y p ep l a t f o r mu s i n gf o rt h el a bp r o j e c ty a ks o cd e s i g n t h em a i nw o r k i st h a t ：d e s i g no fs c h e m a t i ca n dp c bf o ry a ks o cp r o t o t y p ev e r i f i c a t i o np l a t f o r m ； a c h i e v em i g r a t i o no fy a ks o ct of p g a a n da c h i e v ef u n c t i o ns i m u l a t i o nb a s e do n f p g ac e l ll i b r a r i e si nt h ea s i cs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ；l a s t l y , i m p l e m e n ty a ks o c h a r d w a r ep r o t o t y p ev e r i f i c a t i o no nt h ef p g ap l a t f o r m ，a n dc o o r d i n a t ew i t ho t h e r t e a mm e m b e r st oa c h i e v es o f t w a r em i g r a t i o n ，a c h i e v ec o - v e r i f i c a t i o no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h i sp r o j e c t ，n o to n l yu n d e r s t a n dt h e o r yo fp r o t o t y p e v e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , b u ta l s oi m p l e m e n tp r o t o t y p ev e r i f i c a t i o no f y a ks o c k e y w o r d ss y s t e mo nc h i p ，p r o t o t y p ev e r i f i c a t i o n ，p l a t f o r m ，f p g a u 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及课题意义 1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题研究内容4 1 4 论文结构4 第2 章s o c 验证技术概述5 2 1 仿真技术5 2 1 1 基于事件仿真5 2 1 2 基于周期的仿真5 2 1 3 基于事务验证5 2 1 4 代码覆盖状况分析5 2 1 5 软件硬件协同验证6 2 1 6 快速原型系统6 2 1 7 硬件加速器技术6 2 2 静态技术6 2 2 1 代码静态检查7 2 2 2 时序验证7 2 3 形式技术7 2 3 1 定理证明技术7 2 3 2 模型形式检查8 2 3 3 等价性形式检查8 2 4 物理验证与分析8 2 5 基于f p g a 原型验证技术研究9 2 5 1 快速原型验证系统实现方案9 2 5 2 基于f p g a 设计流程1 2 2 5 3 基于f p g a 原型设计技术优势及其局限性一1 3 2 5 。4 基于f p g a 的s o c 原型实现技术1 4 2 6 本章小结1 5 第3 章y a ks o c 原型平台硬件设计17 3 1y a ks o c 概j 遣17 3 2 平台架构概述18 3 3 母板原理图设计1 8 3 3 1f p g a 选型一18 3 3 2u s b 接口设计2 0 3 3 3 以太网接口设计21 - 3 3 4s d r a m 存储器模块设计2 卜 3 3 5f l a s h 存储器模块设计2 2 北京t 业大学t 学硕r 学位论文 3 3 6 视频v g a 接口模块设计2 3 3 3 71 2 sa u d i o 语音接口设计2 3 3 3 8s p i 接口模块设计2 4 3 3 91 2 c 接口模块设计2 4 3 3 1 0p s 2 接口设计2 5 3 3 1 1l c d 接口模块设计2 6 3 3 12u a r t 接口模块设计2 6 3 3 1 3f p g a 配置电路设计2 7 3 3 1 4 供电系统设计2 7 3 4 原型平台母板p c b 设计2 9 3 4 1 信号完整性处理2 9 3 4 2 电源完整性设计。3 4 3 4 3 电磁干扰处理3 6 3 5 系统调试3 6 3 6 本章小结3 8 一 第4 章y a ks o c 原型实现3 9 4 1s o c 的f p g a 移植3 9 4 1 1p l l 处理3 9 4 1 2p a d 处理：z ：4 0 4 1 3 片内存储器处理4 2 4 1 4 时钟网络处理4 3 4 2 基于f p g a 原型实现版本仿真4 5 4 2 1 元件库编译4 5 4 2 2f p g a 原型实现版本仿真4 5 4 3y a ks o cf p g a 原型验证4 7 4 3 1y a k s o c 逻辑原型验证一4 7 4 3 2 原型验证平台的软硬件协同验证5 2 4 4 本章小结5 3 结论5 5 。 参考文献5 7 附录一：原理图设计6 1 附录- - p c b 设计一7 1 攻读硕士期间发表的学术论文7 3 致谢7 5 一 i i 第1 章绪论 第1 章绪论 在深亚微米级工艺中，单个集成电路所能实现的设计能力让人们可以灵活地 将最终产品的所有主要功能都集成到单块的系统芯片中，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 已经成为当前集成电路设计的一种发展趋势n 1 。但是随着嵌入式系统集成度越来 越高，对系统验证提出了极大的挑战。最常用的验证方法是通过软件仿真验证设 计的功能，但是软件仿真存在仿真速度和仿真模型的局限，在s o c 设计中，验证 速度和验证效果并不能让人满意。而f p g a 验证凭借速度和真实性的优势，在v l s i 设计中，得到越来越多的应用。针对本实验室y a ks o c 项目组的需要，本论文设 计了一款有针对性的原型验证平台，并且该平台具有一定的扩展性和通用性，能 满足一些通用的v l s i 设计原型验证的需要。 1 1 课题背景及课题意义 随着电子系统集成程度的快速增长、半导体制造工艺的不断发展以及生产成 本的大幅下降，电子系统的主要功能都能够集成到单颗芯片上完成，由此形成了 片上系统( s o c ) 。随着s o c 设计复杂度不断增加，使得缩短面市时间的压力越来 越重。虽然i p 核复用大大减少了s o c 的设计时间，但是s o c 的验证工作仍然非 常复杂耗时，s o c 验证所需资源已占整个设计资源的6 0 一8 0 ，可见验证是 s o c 设计中的一个重要工作啦! 。s o c 和a s i c 的最大不同之处在于它的规模和系统 的复杂性，除了大量硬件模块之外，s o c 还需要大量的固件和软件，如操作系统， 驱动程序以及应用程序等口1 。s o c 不仅在规模上与传统的芯片有着很大的差别， 而且在设计验证方法上也有着本质的不同，在s o c 的设计中，大量的采用i p 复用 技术，不仅包含大量的硬件电路设计，而且包含了相当部分运行在嵌入式处理器 上的软件需要设计。也就是说，在s o c 验证中要同时考虑硬件和软件的验证，以 确保软件和硬件能够很好的协同工作口1 。 但是在系统芯片s o c 的验证中，功能验证成为制约芯片发展的首要制约因素。 虽然仿真器( s i m u l a t o r ) 采用各种方法来提高自身的仿真速度，但是硬件仿真器 对硬件的功能进行仿真是计算机按照硬件的数学模型，通过计算的方法来模拟硬 件电路的动作。随着芯片的规模越来越大，硬件的模型也必将越来越复杂，对硬 件进行模拟的计算量也急剧增加。单纯利用硬件仿真器进行硬件仿真的方法已经 力所不及，仿真器的仿真速度越来越慢。面对s o c 芯片的功能验证，硬件仿真器 已经力所不及。在s o c 芯片的设计过程中，从系统设计，逻辑设计，各层次仿真 到综合，直至流出样片后才能在硬件层次验证设计的正确性。经常会出现到了最 后才发现芯片的设计有错的情况，这不仅会造成投片巨大成本的浪费，而且要耗 北京1 _ 业大学t 学硕l ：学位论文 费大量的时间，将给系统芯片的上市带来严重的影响。为了减少这种情况的发生， 在投片之前，进行快速系统原型验证，即硬件原型和软件原型结合验证，己经成 为s o c 设计流程前期阶段的常用验证手段。f p g a 原型验证的本质在于快速地实现 s o c 设计中的硬件模块，让软件模块在真正的硬件环境中高速运行，从而实现s o c 设计的软硬件协同验证。该技术实现的基础是需要大规模的f p g a 和有力的设计描 述及编译工具h 5 一7 8 9 1 。 随着f p g a 技术的快速发展，其速度、规模不断增大，成本不断降低，使得 以其为硬件载体进行芯片原型验证成为可能。用f p g a 作为硬件模块的实现载体， 一方面可使设计者可以较好的把握硬件设计的物理特性；另一方面基于现场可编 程门阵列( f p g a ) 的逻辑模拟器可以比软件仿真速度高出4 - - - 6 个数量级，填补 了仿真环境与实际芯片的巨大差距1 。利用f p g a 提供一个可尽早仿真、验证系 统芯片的平台，以实时的方式运行协同设计所产生的软硬件代码，尽早地发现系 统集成过程中的问题，从而达到加快芯片的开发速度、提高成功率的目的n 0 。 这种方法就是通过将系统芯片映射到f p g a 中，在接近硬件运行速度下验证 硬件和软件。不仅软件部分能尽早的进行开发与调试，同时也可以在实际运行中 发现一些在系统设计中没有注意的地方。这样最终可以缩短设计周期，同时为 s o c 设计一次成功提供了更大的把握。 1 2 国内外研究现状 随着市场竞争日趋激烈，s o c 设计公司越来越需要找到一种更加完备的设计 与验证方法来提高s o c 设计的效率和可靠性，如图卜1 所示的设计流程是目前国 外s o c 设计公司比较通用的s o c 验证流程。而这其中进行s o c 原型验证的一个关 键设计部分就是f p g a 硬件验证平台设计，它可以非常真实地模拟s o c 设计的功 能和应用平台，从而可以对其进行全面的验证。 由于目前f p g a 在密度和复杂程度上有了飞速的发展，同时，大规模的f p g a 器件一般都嵌有微处理器、i p 核和多种高速接口标准。由于f p g a 最大的特点就 是具有静态可编程的特性或在线动态重构特性，使硬件的功能同软件一样可以通 过编程来修改，使设计和测试工作变得便利且实时性好。这种设计验证模式也可 以使产品开发周期大为缩短，降低开发成本。因此f p g a 己成为最理想的功能验 证的器件，它为s o c 快速系统原型验证提供了一个非常合适的平台。所以，基于 器件对芯片进行验证的研究工作，具有非常重要的现实意义。 目前国外比较成熟的技术是s y n p l i c i t y 公司的原型验证系统。半导体设计 与验证软件供应商s y n p l i c i t y 公司日前发布了其t o t a l r e c a l l 完全可视化技术 的详细说明。s y n p li c it y 相信这项新技术使设计人员能够迅速找出问题所在并 确保排除故障，从而大幅提高f p g a 原型设计在a s i c 验证工具中的使用率。 第1 币绪论 t o t a l r e c a l l 技术使调试过程中的可视化程度达到甚至超过模拟器，且其运行速 度是模拟器的1 0 倍乃至1 0 0 倍。此外，该创新型技术还能捕获故障发生前和之 后的全部信号信息。t o t a l r e c a l l 技术结合了f p g a 原型设计现有的高性能与低 成本优势，将使原型设计方法成为a s i c 验证的首选方法n 3 1 4 1 5 删。 图卜1s o c 常用设计流程 s y n p li c i t y 看好t o t a l r e c a l l 技术的前景，认为它能与项目以外的合作伙 伴的技术实现完美集成，特别适于配合原型设计项目合作伙伴的技术。 s y n p li c i t y 将开发参考设计流程，并与各大模拟环境进行集成。 目前众多全球领先的f p g a 原型板厂商均加入了s y n p li c i t y 的原型设计合作 伙伴( p i p ) 项目，以便利用s y n p li c i t y 的工具开发原型板的设计流程。根据p i p 项目，我们可以明确s y n p l i c i t y 原型设计应用和配套r t l 功能原型设计软硬件 和设计服务的相关技术，并检验有关技术是否达标。项目成员包括a l t e r a 、a m o g m b h 、a r m 、t h ed i n ig r o u p 、e v e 、f l e x o d y 、g i d e l 、h a r d ie l e c t r o n i c s 、n a l l a t e c h 、 p r o d e s i g n 以及s k e l e c t r o n i c s 等。 原型验证技术在国内是属于比较前沿的课题，目前国内做的比较突出的是电 子科技大学通信抗干扰技术国防重点实验室开发了一套基于f p g a 阵列的超大规 模s o c 验证平台以及中科院计算技术研究所开发的一套s e e l 0 平台。这两个平 台虽然已经具有初步的功能，但是存在产业链，e d a 技术支持，系统划分等关键 北京t 业大学t 学硕仁学位论文 技术的各种限制，在实际应用方面存在非常大的局限性。与国外的产业联盟相比， 在资源和前景方面都存在巨大的差距n 7 1 8 1 。 1 3 课题研究内容 本课题结合实验室“y a ks o c ”设计项目，建立了相对完善的硬件验证环境， 完成基于该系统芯片的f p g a 的硬件验证平台的设计，f p g a 的原型实现以及整个 验证平台的软硬协同验证调试工作。 本课题所研究的内容不仅是本y a ks o c 项目设计工作的重要组成部分，也是 整个s o c 设计领域的重要研究内容，建立一种更快更好的硬件验证环境已经成为 当前s o c 业界所关注的重要问题之一。本文研究内容是s o c 验证中的重要领域之 一。相信该课题的初步研究能在该课题相关领域做出一些有益的尝试。 1 4 论文结构 本文在已完成课题研究的基础上，对研究成果的总结和概述，主要由五个部 分组成： 第一部分：绪论，对本文研究背景和研究内容的概述； 第二部分：s o c 验证技术概述，并对比各种验证方法的优缺点，并重点介绍 了f p g a 原型验证相关技术的应用及其方法论研究； 第三部分：y a ks o c 原型验证平台设计，主要介绍本原型验证平台硬件电路 原理设计及其仿真，包括原理图设计及其p c b 设计。对于硬件p c b 设计，主要介 绍对原型验证平台p c b 设计中的电磁兼容处理以及信号完整性方面的优化及其 处理。并完成对系统板的调试与测试。 第四部分：y a ks o c 原型实现，主要介绍了a s i c 版本向f p g a 版本转换所做 的工作，并针对f p g a 原型实现版本的i p 核替换，进行基于f p g a 库的功能仿真。 最后完成y a ks o c 在该平台上的原型实现以及软硬件协同原型验证。 最后是结论部分，在总结本论文完成情况的基础上，针对该课题的不足，对 下一步发展与研究进行展望。 第2 章s o c 验证技术概述 第2 章s o b 验证技术概述 验证的目的是要确保设计对象满足在设计规范中所定义的功能要求，实践证 明，对系统芯片进行验证会占到整个项目工作总量的7 0 以上。可见验证在s o c 设计中的重要性。工业界现有的验证技术主要可分为4 大类：基于仿真的技术， 静态技术，形式技术以及物理验证与分析技术。本章主要简要介绍各种验证技术， 并在此基础上重点讨论原型验证技术。 2 1 仿真技术 2 1 1 基于事件仿真 基于事件的仿真技术是把输入激励的变化认为是事件的触发，每一个仿真时 间仿真器处理一个事件触发，根据事件触发的内容对整个设计重新计算，直到一 个仿真稳态出现为止口1 。尽管基于事件的仿真为设计提供了具有时序的精确的仿 真环境，但是其执行速度取决于设计对象的规模和仿真中行为举动的( 抽象) 层 次，算法复杂，对于规模较大的电路仿真可能会很慢。 2 1 2 基于周期的仿真 基于时钟周期的仿真器在时钟周期的时间内没有时间的概念，每一个时钟周 期的时问对电路计算一次，所以其较事件仿真速度快很多。但是其针对时钟触发， 只能对同步电路进行仿真，而且其并没有考虑时序问题，因此需要额外进行时序 分析。 2 1 3 基于事务验证 基于事务的验证允许在信号引脚之外的事务级之上对设计对象进行仿真和 调试。将系统中各个功能模块之间所有可能的事务类型都建立出来，并系统地加 以测试。基于事务的验证不需要很细致的测试平台以及大型向量。在基于事务的 验证中使用总线功能模型( b f m ，b u sf u n c t i o nm o d e l ) 。总线功能模型为设计对 象的硬件接口上运行事务提供了一种手段。它将根据接口协议的要求来驱动各个 互连线的信号。这种验证技术提高了验证效率，可以很容易的实现自核对和定向 随机测试。 2 1 4 代码覆盖状况分析 代码覆盖状况分析提供了量化分析的能力，用来统计对仿真对象仿真后的功 北京t 业大学t 学硕 ：学位论文 能覆盖状况。例如代码覆盖率，状态机覆盖，分支覆盖等。设计者可以根据该分 析结果得知未及仿真的分支，语句等。一般要求代码覆盖率达到9 5 以上才能保 证逻辑代码仿真时通过的，才能基本保证代码在逻辑质量控制上达到要求，才能 进入综合步骤。该方法可以让设计者直观的得到一个量的认识，也能帮助设计者 第2 章s o c 验i i f 技术概述 2 2 1 代码静态检查 代码静态检查主要对设计对象的代码作静态检查，主要是用来验证其语法上 的正确性。可以在设计周期的早期进行代码静态检查，查处设计代码中的简单错 误。 2 2 2 时序验证 一般来说，逻辑设计中主要由同步设计和异步设计，其中每一个存储元素或 者锁存器都有时序方面的要求，比如建立时间，保持时间以及各种延迟等。时序 验证用来确定设计时序是否满足要求。对于复杂的设计，由于存在大量的时序路 径，并且工作条件会变化，时序分析有很大的挑战。 时序验证用来确认设计的时序是否满足要求，静态时序分析的目的就是要保 证d u t 中的所有路径满足内部时序单元对建立时间和保持时间的要求。静态时序 分析通过穷举法抽取整个设计电路的所有时序路径，按照约束条件分析电路中是 否有违反设计规则的问题，并计算出设计的最高频率。但是静态时序分析仅着重 于时序性能的分析，并不涉及逻辑功能，在分析过程中计算时序路径上数据信号 的到达时间和要求时间的差值。整体上讲，静态时序分析具有不需要外部测试激 励、效率高和全覆盖的优点，但其精确度不高。 2 3 形式技术 在设计验证中，有些设计的b u g 是很难发现的，如果在验证阶段不能及早检 测出来，那么这些缺陷可能将严重影响设计周期。形式验证是一种系统验证手段， 它一方面从理论上推导、论证设计实现的正确性，另一方面通过分析对比设计的 不同形式来论证设计功能是否一致。形式验证主要用来判断两个设计的等价性 口1 。形式验证方法不需要用于验证的测试平台和( 测试) 向量。理论上讲，形式 验证将保证非常高的验证速度和1 0 0 的覆盖率。但由于形式验证涉及较复杂的 数学推导，加之推导本身的正确性难以把握，尤其当系统较复杂时，形式验证会 成为整个项目进展的瓶颈。 2 3 1 定理证明技术 定理证明技术仍然处于研究的阶段。这种技术主要是用定理来构造出对设计 对象的证明，以此来证明设计对象满足其功能要求。 北京- e l k 人学t 学硕l j 学位论文 2 3 2 模型形式检查 模型形式检查技术主要应用数学上的形式技术来验证设计对象的行为属性。 模型检查工具采用设计对象的行为与用户逻辑属性相比较。逻辑属性一般是从设 计规则中提取出来的。模型形式检查不需要任何测试平台和测试向量。但是模型 形式检查并不能代替仿真，只能作为一种补充，而且也不能对时序方面的要求进 行验证。目前模型形式检查对逻辑属性要求比较高，对复杂的大型设计存在极大 的局限性，如果设计属性表示的不正确，模型形式检查并不能得到正确的结果。 2 3 3 等价性形式检查 等价性形式检查是用来对一个设计的不同层次形式彼此等价性检查的一种 方法。它通过数学算法，来验证设计的逻辑一致性。等价性形式检查主要用来验 证寄存器传输级对寄存器传输级，寄存器传输级与门级以及门级与门级实现之间 是否等价。因为等价性检查用参考设计与目标设计对比，因此参考设计功能是否 正确非常重要。同样，该方法仍然存在时序方面的缺陷。 2 4 物理验证与分析 在深亚微米设计中，互联线延迟相对于门延迟对芯片设计影响已经越来越 大，必须考虑到电学问题和工艺问题，并解决互联线寄生效应。需要分析和解决 的问题有：时序、信号完整性、串扰、i r 电压降、电迁移、功耗分析、工艺天线 效应、相移掩模( p h a s es h i f tm a s k ) 和光学临近效应修正( o p t i c a lp r o x i m i t y c o r r e c t i o n ) 。物理验证与分析技术主要是进行设计规则检测和版图与原理图对 照。比较常用的方法是：版图之前的设计阶段估算各种物理效应，在版图之后的 设计阶段再提取和分析这些物理效应。 总的说来，每一种验证方法都有自身的优点和缺点，所以在对设计进行验证 时可以综合考虑各种验证方法的利弊以及综合应用各种适用的验证方法来达到 目的。各种应用方法的适用情况是： 基于事件仿真：适用于异步技术。因为此种验证方法同时考虑了设计对象的 功能性和时序性。因此在进行中小规模的设计对象进行验证时会是比较适用的技 术。 基于周期仿真：该验证技术仅仅考虑了对象的功能性，并不能对时序进行验 证。同样对中小规模设计对象验证比较适用。 形式验证：该种验证方法不需要测试向量和测试平台。它的主要方法有模型 检查和等价性检查。模型检查主要用来验证控制逻辑，它需要对比设计对象的属 性和约束。该方法对设计对象属性和约束要求较高，目前主要用在中小规模设计。 8 第2 章s o c 验征技术概述 等价性检查则主要用来检查同一个设计的不同形式的等价性。所以其能力更 加强大。可以完成对大规模设计对象的验证功能。 快速原型：该方法能够使得设计在真正的硬件环境下实现。提供设计早期访 问系统芯片平台的能力。在s o c 设计中越来越常用。它不仅能使得硬件设计在流 片前就能运行，而且能使得设计较早的发现设计上的错误。同时能够使得软件尽 早在硬件上运行，加快研发进度n 引。 2 5 基于f p 6 a 原型验证技术研究 从前文的讨论中可以发现，随着s o c a s i c 设计规模越来越大，越来越复杂， 验证已经成为设计中的重要环节。只有综合运用各种验证技术才能得到满意的效 果。随着设计复杂度的提高，快速原型验证技术已经成为s o c 设计的一种常用手 段。快速系统原型验证的本质在于快速地实现设计中的硬件模块，让软件模块在 真正的硬件上高速运行，实现设计的软硬件协同验证。 快速原型系统是待验证的设计对象的一种硬件设计表示形式。实现原型系统 的关键在于快速的实现原型。实现原型的途径有很多种选择，主要原则是将目标 设计映射到现成的器件之上的可配置原型系统上，可以是控制处理器，d s p ，引 出焊点式的芯核，f p g a 等等。各种方法在工业界都有应用。但是随着f p g a 技术 发展，其灵活性，可靠性以及功能的强大性，使得f p g a 在原型验证技术中占据 着越来越重要的角色，目前工业界的原型验证系统中，f p g a 已经成为主流应用。 基于f p g a 的原型设计实际上就是在可编程逻辑之外建立起系统，使得设计 就像在硬件已经构建好了那样调试。其中最大的区别是a s i c 被f p g a 代替了，当 然性能肯定与a s i c 设计存在一定的差距。由于硬件表示形式并不是最终的产品， 所以它也是软件工程师用来提早访问硬件和调试软件的一种有用方法。 本文也主要是建立在f p g a 上的原型系统设计。 2 5 1 快速原型验证系统实现方案 目前在业界，实现快速原型验证系统主要有两种方案： 一是选择可重配置快速原型系统，另一个则是选择专用快速原型系统。 2 5 1 1 可重配置快速原型系统 采用可重配置快速原型系统实现设计，目标设计被映射到现有器件上。典型 的可重配置快速原型系统的简单框图见图2 一l 所示。它包括一个拥有总线互联器 件的母版。它可以结合引出焊点式芯核，如c p u ，存储器等。对于有些i p 得不 到引出焊点式芯核，还有一种措施，就是插入f p g a 模块实现。系统为电路形式 仿效器和逻辑分析仪提供了连接装置来进行调试。 北京j i 业大学1 学硕十学位论文 目前商用的可重配置快速原型系统都是具有非常复杂系统设计和丰富的扩 展接口，而且上位机软件支持非常强大。用户可以根据需要自己开发必要的子板 或者选择合适的插件。通常选用可重配置快速原型系统进行s o c 验证的流程如图 2 2 所示： 卤卤卤 图2 1可重配置快速原型系统框图 图2 2可重配置原型验证系统流程 第2 章s o c 验证技术概述 ( 1 ) 选择插件式模块。目前商用系统都具有母版与子板结构，为了满足不同 需要，提供针对不同需求的子板，所以用户可以根据需要选择合适的子板，搭建 原型系统平台。 ( 2 ) 选择f p g a 及其工具。如果系统平台不满足用户需要，用户可根据自己 需求自己开发相关的子板。 ( 3 ) f p g a 实现。根据需要完成对各个可重配置模块的配置，使得实现各自 需要的功能。 ( 4 ) 调试。将各个子模块设计完成后，将系统与相关p c ，逻辑分析仪或者 示波器连接起来，调试系统功能。 2 5 1 2 专用快速原型系统 专用原型具有极大的专用性，通常都是针对一些特定用途s o c 的实现，其扩 展和重用能力都有限。一般情况下，专用原型是围绕嵌入式处理器的开发板支持 包，配合所需要的一些元件而构造出来。开发板支持包主要受所用的i p 限制， 在s o c 芯片流片之前可以用其来对软件和硬件进行开发和调试。有些专有的i p 供应商都提供自己的i p 开发包，比如a r m ，d s p ，m i p s 等。 开发板支持包提供非常强大的功能，比如： ( 1 ) 支持i p 功能，包括处理器以及外围设备； ( 2 ) 已经为对应的i p 提供了最小配置功能； ( 3 ) 提供丰富的软件开发工具，包括编译器，调试器，连接器，引导程序等； ( 4 ) 提供完善的硬件系统，包括单板，子板，扩展板等； ( 5 ) 提供方便调试用的i p 核，包括内建自测试用的i p ，数据交互i p 等； ( 6 ) 单板提供强大的探测接口，方便逻辑分析仪等外部设备探测信号。 针对专用原型系统验证，其验证流程与可重配置原型系统流程相似，只是在 插件前期有一些区别。针对专用的原型系统，在验证前期，需要研习支持包，选 择需要的支持包和插件，并选择相关的支持工具，搭建自己需要的原型系统。如 果有部分新开发功能，支持包并不支持，同样需要自己开发相关插件。 如上所述，专用原型系统主要针对的是一些特定设计，其在实际s o c 开发过 程中存在极大的局限性： ( 1 ) 应用领域有限。当该产品开发完成后，该平台也就失去了应用价值，并 不能在其他产品开发过程中得到应用。 ( 2 ) 成本巨大。该系列原型系统因为支持包丰富，一般价格不菲。但是在使 用过后，并不能在其他产品上得到应用，一次性投入过大。 ( 3 ) 模块再开发。如果待开发部分功能并不能得到支持包的支持，需要自己 开发相关模