（检测技术与自动化装置专业论文）验证平台的可重用性研究.pdf

验证平台懿霹重用牲研究 摘要 随着集成电路制造技术的快速发展，系统芯片逐渐成为现实。 毽系绞芯片熬发震遨到了一系翻魏箴，系统芯片赘验涯遥遴就是 其中之一。验征己成为j 告片设计的瓶颈，其大约占整个芯片设计 嚣7 0 ，瑟魁蘧着繁残电黪设诗臻摸霸复杂凄黪不羧提秀，其f | 羲 占比例还将鼹现上升趋势。因此仪仅降低设计费用是不够的，还 篱要尽司能辫低验溅费髑。在今天系统芯片申，片上重用豹l p 模块数越来越多。如何快遮的验证这些i p 模块和整个系统已成为 系统芯只验诞的难点和热点。 本文重点围绕可重用性验证方法学展开研究。在此基础上， 分析了i p 单独验证平台，并讨沦了浚验证平台中总线功能模型和 总线黢视器的漫计方法，骈究了藻予侄务和基于状态丰凡两群总线 功能模型的实现方式在可嫩用性方面的区别，并提出了总线监视 耩嚣可重用襁设计演刚。激蓐遗步讨论了s o c 集成验证平台静 设计方法，并对其在数据组织、使用工县、系统安全以及在管理 上戆考虑 乍了洋缨分瓠。 关键强：i p ，s o c ，霪爝，平密，验迁 r e s e a r c ho nt h er e u s a b i l i t yo fv e r i f i c a t i o np l a t f o r m a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l yd e v e l o p m e n to ff a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yi ni n t e g r a t e d c i r c u i t ，s y s t e m - o n a - c h i ph a sb e c o m er e a li t y b u ts y s t e m o n - a c h i pa l s o b r i n g su ss o m ec h a l l e n g e s ；o n eo ft h ec h a l l e n g e si sh o wt ov e r i 冬a s y s t e m - o n a c h i p v e r i f i c a t i o nh a sb e c o m et h eb o t t l e n e c k i nt h e i n t e g r a t e dc i r c u i ta n dc o n s u m e sa b o u t7 0p e r c e n ti nt h ew h o l ec h i pd e s i g n ， w h a t sm o r e ，w i t ht h es t a n d a r d i z a t i o no ft h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t y , t h i s t r e n di su p ，a n ds os o m e t h i n gm u s tb ed o n el oa l l e v i a t et h et r e n d i nt h e d e s i g no fs y s t e m - o n a c h i p ，t h en u m b e ro ft h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r e u s e b a s e dh a sb e c o m em o r ea n dm o r e h o wt ov e r i f yt h ei n t e l l e c t u a l p r o p e r t ya n dt h ew h o l es y s t e m + o n - a - c h i pr a p i d l yi sb e c o m i n gf o c u si nt h e s y s t e m o n a c h i pv e r i f i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h er e u s e m e t h o d o l o g yi nt h e v e r i f i c a t i o n ， a n a l y z e s t h ei n t e l l e c t u a l p r o p e r t y s t a n d a l o n e v e r i f i c a t i o np l a t f o r m ，d i s c u s s e st h ed e s i g nm e t h o d so fb u sf u n c t i o n m o d e ia n db u sm o n i t o ri nt h er e u s a b l e f u n e t i o nv e r i f i c a t i o n p l a t f o r m ，i n v e s t i g a t e t h ed i f f e r e n c ei nt h e r e u s a b i l i t yo ft h e i m p l e m e n t a t i o nm o d eo ft a s k - b a s e da n ds t a t em a c h i n e - b a s e db u s f u n c t i o nm o d e la n dp r e s e n tt h er e u s a b i i i t yd e s i g nr u l e si nt h eb u s m o n i t o r i nt h ee n d ，d i s c u s s e st h ed e s i g n m e t h o d o l o g y o f s y s t e m - * o n - - a - c h i pi n t e g r a t i o nv e r i f ic a t i o np l a t f o r m a n d a n a l y z e s s o m ea s p e c t s ，s u c ha sd a t ao r g a n z a t i o n ，v e r i f i c a t i o nt o o l s ，s y s t e m s e c u r i t ya n dm a n a g e m e n t ，i nd e t a i l k e yw o r d s ：i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) ，s o c ( s y s t e m o n a c h i p ) ， r e u s e ，p l a t f o r m ，v e r i f i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金世王些盘堂 或其他教育机构的学位或证二陆而使用过的材 料。与我一同t 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谢 意。 学位论文作者签字：惫妨圭签字日期：2 础年f 月9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒坦王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 肥工业大学可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 一 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：怒毛高导臌：孙位 签字日期：2 o 年乒月哆日 签字日期：j o o p 年扣月乃日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 本论文是在导师高明伦教授的悉心指导下完成的。高老师学识渊博、治学 严谨，两魁诚恳褥人，诲人不偻。她对科学豹认真态发和崇怒的品德是我永远 的楷模，将使我终身受虢。由衷感谢高老师的培养、支持和光私的教诲l 三年 来，潘剑宏老师对我的学习、科研、工作和生活都给予了精心的指露和充分的 关心，在此表示震心的感谢l 感谢项目组组长张溯在二亡作和学习上给予我的指母。在本文的熬个写作过 稷中，德援供相当有价俊的帮韵，并辩心阅读本文，箍出宝爨静修改意冤。 感谢8 6 3 i p 核评测技术项圈组的全体成员：周萌、林慧君、杨羽、张振对 论文中设计工作粒热穰瑟瑟。 感谢李丽老师、王锐老师、周二i 二民博士在学习和工作中对我的指导和帮助。 感落酃经耀澎舞、至锾老辩在论文霉俸l 妻= 程中对我豹关，办寝蓑韵。 感谢李伟、胡剑在项目研究上给予我大力支持。 感落会怒工大徽电予设 磷究疑揍缀、蛙艳英在，圭活和工作中给予的蘩驹。 感谢台肥工业大学微电了设汁研究所全体同仁在我研究嫩学习期间给予的 帮勘窝支持。 感谢安庆师范学院院系并领导和所有同仁在我研究生学习期间给予我的帮 助翻支持。 感谢整友柏鼗鹏、何高清、李波对我在生活上的关心和帮助，能销总蹙面 带微笑。 感谢我的父簿和亲人多年柬静培养、帮韵、关心鞠支持。一壹黻来，魏稍 承受着巨大的家庭压力，给我个平静的学习环境。他们付出的心m 是我无论 翔侉也赡辍辛b 偿躲。 最后，感谢文中引用过文献的所有作者们，他们的科学态度让找感受到最 完美兹学习髂验。 作者：詹文法 2 0 0 4 年4 月于工大电予城 第一章绪论 2 l 世纪是信息化的时代，信息产业是推动我国经济增长、促进科技进步、 加快结构调整的先导产业和支柱产业。而集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 是 信息技术和信息产业的基础，与我国经济、政治、信息和国防安全息息相关。 为此，要把集成电路产、作为重点战略产业，进一步采取有力措施，加快 发展速度，以满足我国经济建设、社会进步和国防安全的需要。集成电路设计 位于整个集成电路产业链的最上游，可以带动整个产业及相关行业的发展，因 此，近些年来受到了国家各主要部门和学术界专家的高度重视。 本章第一节介绍了系统芯片( s o c ，s y s t e mo nac h i p ) 以及i p 核( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) 的基本概念：第二节详细分析了s o c 验证过程中所面临挑战；第三节 介绍了课题的来源、研究的1 1 的和意义；第四节阐述了本文的研究重点及章节 安排。 1 1s o c 和i p 核 自从1 9 4 7 年美国科学家巴丁发明第一支晶体管以来，集成电路产品和技术 围绕着“等比例缩小”这一观点取得了不断的进步和巨大的成功。半导体器件 沟道长度和长宽尺寸的缩短，。方面提高了电路的集成度，另一方面则提高了电 路的速度。这就使得在l 司样大小的：占片上司以集成更多的晶体管，从而实现更 复杂的功能并获得更高的速度与f ；【：靠性。一块芯片在获得更复杂的功能和更优 良的性能的同时，成本也在1 i 断f 降，追求更高的性能价格比成了集成电路发 展的重要动力。正如i n t e l 公司创始人之一的g o r d o n e m o o r e 在1 9 6 5 年所预言 的那样：集成电路按照每隔3 年集成度增加4 倍，特征尺寸缩小2 倍的速度发 展。在这期问，虽然有很多人预测这种发展趋势将减缓，但是微电子产业5 0 多年来发展的历程证实了摩尔定律( m o o r el a w ) 的正确性，而且集成电路技 术的这种发展趋势还将继续下去。表1 1 列出了从1 9 9 5 年到2 0 1 0 年集成电路 技术的发展情况和展望。 当集成电路规模发展到t 】以将整个数字计算机系统集成到一块芯片上时， s o c 出现了。s o c 设计技术的运用和推广可以极大地降低整个系统的开发费用， 同时在原有芯片的基础 ：增加更多功能，提高产品性能。尤其在消费类电子产 品中，s o c 大大地缩短了产品的硒市时f 刚( t t m ，t i m e t o m a r k e t ) 。因此，s o c 将是集成电路产业未来总的发展趋势。 表1 1 集成电路技术发展情况 年代 1 9 9 51 9 9 82 0 0 l2 0 0 42 0 0 72 0 1 0 特征尺寸( 1 a i n ) o 3 5o 2 50 1 80 1 30 1 00 0 7 d r a m 容量( 位芯片) 6 4 m2 5 6 m1 g4 g1 6 g6 4 g 微处理器尺寸( m m 2 ) 2 5 03 0 03 6 04 3 05 2 06 2 0 d r a m ) ：a x - ( m m 2 ) 1 9 02 8 04 2 06 4 09 6 01 4 0 0 逻辑电路晶体管密度f 品体管数 c m 2 1 4 m7 m13 m2 5 m5 0 m9 0 m 晶大硅圆晶片尺寸( r a m ) 2 0 02 0 03 0 03 0 04 0 04 0 0 1 1 1 系统芯片 h e n r yc h a n g 等人认为s o c 是。种复杂的集成电路，它将终端产品的主要 功能单元完全集成在单个芯片或芯片组( c h i p s e t ) q b 。通常，s o c 包括一个可编 程处理器、片上存储器和由硬件实现的加速功能单元。另外，作为一个系统， s o c 需要直接与外部世界打交道，因此它一般还包含模拟部件以及数模混合部 件，在未来它还可能会将光微l 乜子机械系统部件集成在一起；r o c h i t r a j s u m a n 则将s o c 定义为一种将多个超大规模集成电路( v l s i ，v e r yl a r g es c a l e i n t e g r a t i o n ) 设计集成在一起钏对某一种应用提供完全功能的集成电路【2 j 。 当前关于s o c 还没有统一的定义，而且随着时间的推移其内涵还在不断发 展，一般认为，s o c 指在单一j i j ! j = 片i - 实现的数字计算机系统【2 】【3 】【4 【5 】【6 1 。该系 统应包含两种基本的部分：硬件部分和软件部分。硬件部分包括up 、b u s 、 r o m r a m 、i op o r t 等计算机的基本部件；软件部分主要指操作系统，也可 以包括重要的应用软件。 作为集成电路产业中的新技术，s o c 技术始于2 0 世纪9 0 年代。1 9 9 4 年摩 托罗拉公司发布的f l e xc o r e 。”系统( 用来制作基于6 8 0 0 0 t m 和p o w e rp c t m 的 定制微处理器) 和19 9 5 年l s il o g i c 公司为s o n y 公司设计的s o c ，是基于i p 完成s o c 设计的最早报道。于s o c 的基本体系结构以片上总线为核心，这就 使s o c 天然地具有可扩展性：芯片的升级换代只需要在总线上增加新的i p 。因 此，可以把s o c 看作为一一个设计平台。在个s o c 设计平台上，可以规划出一 个产品系列。这种设计平台对降低设计成本，加快t t m ，保障产品质量都有 十分正面的作用。在2 0 0 0 年的c i c c ( c u s t o mi n t e g r a t e dc i r c u i t sc o n f e r e n c e ) 会议上，摩托罗拉公司s o c 设计技术研究部主任j o ep u m o 作了题为“s o c ： t h ec o n v e r g e n c ep o i n tf o rs o l u t i o no ft h e2 1s tc e n t u r y ”1 的主题报告，对s o c 的现状和发展趋势作了详尽的介绍和1 分析。该报告认为，s o c 设计技术的出现 是集成电路产业发展历史上的。次革命，它将全方位地、深刻地影响集成电路 2 的设计、加工、市场和应用。一般认为，现阶段的集成电路产业正处于s o c 时 代。 集成电路制造技术的快速发展仅仅为s o c 的实现提供了一种可能，而要使 s o c 成为现实的关键是集成r b 路设计人员要具有相应的s o c 设计能力。从历史 上看集成电路的设计能力一一直落后于集成电路的制造能力，这便成为s o c 发 展过程中一个非常突出的障碍。如图1 1 所示。 蘩k 甩 基于i p 核重用的设计方法学是解决这一矛盾非常有效的办法。美国 d a t a q u e s t 全球半导体首席分析师j i mt u l l y 指出，i p 核重用是缩小这种“设计 间距”唯一有效的方法。如果没有它，半导体生产商和o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n t m a n u f a c t u r e r ) 供应商根本无法达到今天的水平。 1 1 2i p 核重用 在强大的商业压力下，设计公司想要极大地提高s o c 的设计效率，就必须 尽可能多地使用现有的电路模块，甚至从其他公司那里获得所需要的i p 核。然 后再将这些合适的i p 模块通过某种方式“拼装”成符合一定功能需求的系统芯 片。这就是i p 核的重用技术。 i p 核就是常晓的知识产权( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) ，以下简称i p 。美国的 d a t a q u e s t 咨询公司将半导体产业中的i p 定义为重用于a s i cfa p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s1 、a s s p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cs t a n d a r dp r o d u c t ) 等器 件中，经过预先设计、预先验征的电路功能模块。在产业界中，i p 又常被称为 s i p ( s i l i c o ni p ) 或v c ( v i r t u a lc o m p o n e n t ) 。 i p 一般包含以下三层含义9 1 1 10 1 1 ”1 ：首先i p 是一些设计好的功能模块， 购买一个i p 所得到的只是一些设计数据，而不是实际芯片；其次为了确保i p 的性能可靠，要求i p 必须经过实际验证，最好是i p 在设计中己经被成功使用， 最起码也是经过某种可编程器件例如现场可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 等验证功能是j 下确的设计；最后，为了吸引别人购买 你的i p ，这要求你的i p 必须经过性能优化。只有那些性能优化的i p 才会有人 来购买。 从提交形式上看，i p 一般分为两种，即软核( s o f t c o r e s ) 乖l 硬核( h a r d c o r e s ) 。 软i p 是可综合的硬件描述语言( h d l ，h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 描述 的电路功能块。由于不涉及具体的物理实现，因此有着很好的灵活性，但同时 导致了性能上( 比如时序、丽积、功耗等方面) 的不可预知性。另外，软i p 需 要冒相当大的知识产权保护风险。 硬i p 是经过布局布线并针对某一特定工艺库优化过的网表或者是物理级 版图，通常用g d s i i s t r e a m 文件表示。在功耗，尺寸，时序等方面都做了充分 的优化。有着很好的可预知性，但由于对工艺的依赖性使得其灵活性和可移植 性都较差。 两种i p 核之削的特性比较如表1 2 所示。 表1 2 两种i p 核之间的特性比较 i 类型提交形式 与一i 艺相荚性 灵活性可靠性 l 软核r t l 描述无关 高低 i 硬核版例相关低高 i p 重用实际一f ：包含两方而含义：一方面是面向重用的i p 核设计( i vc o r e d e s i g nf o rr e u s e ) ，即对于核提供者来说如何确保自己设计出的i p 核是可重用 的；另一方面作为芯片集成者，如何在设计中成功重用别人设计的i p ( r e u s e i p 、a 一- 为了使所设计的i p 具韵+ 可重用性，需要注意以下几点1 ： 所设计的i p 应该是用于解决某一个通用问题，这意味着所设计的i p 核易于被配置以适合于不同的应用场合。 所设计的i p 要针剥不同工艺有不同版本的数据库。对于软核，需要有 针对不同工艺库( l i b r a r y ) 的不同综合脚本( s y n t h e s i ss c r i p t s ) ；对于硬 核，这意味着要有一一个有效的移植策略，将硬核映射到新工艺。 所设计的i p 允许存多种仿真器上进行仿真。仅仅适合在某一种仿真器 上仿真的i p 的可巫用性较差。个具有良好可重用性的设计不仅有 v e r i l o g 模型，而且有v h d l 模型，并有相应的验证平台( v e r i f i c a t i o n p l a t f o r m ) 。要求在一些主要的仿真器上都能够很好运行。 s o c 设计的核心就是i p 莛用。设计重用技术使得系统设计者可以更多地考 虑系统结构，而不必深陷于模块实现，从而使系统设计的复杂性大大降低。但 i p 重用绝不等同于集成电路漫计中的单元库的重用，它所涉及的内容几乎覆盖 了粲疲惫鼹设诗中瑟有豹经典谖题，毽据验谖。糗鸯落说，| p 熬重粥决苓怒一 些l p 的简单堆砌它还包含着i p 验证重用 1 2 1 1 l 【h 1 。为了实现i p 的验证重用， 嚣要在缀橡上进簿壤心淡诗，这绘s o c 设到带来巨大豹挑战。 1 2s o c 的验诞 随着集成电路制造技术快速发展，s o c 逐渐成为现实。s o c 橡一个究整 的系统集成在单个芯片上，肤丽大大缩小整个系统的筒积；与传统的板缀系统 栩比，s o c 减少了模块之问的互连延时，大大提高了系统的性能。但s o c 也给 传统设计技术带* 束了许多撬壤，s o c 静验证就楚其中之一。 从工业实践米看，s o c 产业可以分为两块：即i p 提供者和s o c 集成者。i p 掇供者( i pp r o v i d e r ) 受黉谈 f - , tr 验证l p ，蘸s o c 集袋者( s o ci n t e g r a t o r ) 需 要从i p 提供者手一p 购买i p ，然后将它们集成越来形成一个究整的系统。因此， s o c 豹验涯也分为| p 擎猿驻涯秘s o c 集残验涯嚣步。 l 。2 。1i p 单独验诬 i p 单独验证是指单个i p 的验证，可以是独立的鹕个i p 的验证，也可以是 在s o c 中蹿单个i p 的验证，为l p 荦独验证而建立的验证环境称力i p 单独验证 平台( i ps t a n d a l o n ev e r i f i c a t i o np l a t f o r m ) 。 前瑟筏们撬副s o c 滚穰+ 鹣关键是l p 酶氨羯。蘩箱菝术不佼仅掰淤瑁予电 路设计中，还可以用于验证一i ，。验证的重用不仅仅包括测试文件的麓用，也包 捂溅试囱潼静垂粥，还毽摇骏诞王其稻验涯瓣零懿蚕蠲。 为了蘑用而设计出的i p 的验证面临着以下一些挑战： 验证豹爨撼是零缺酶。鞭为l p 可戆皴翅于袋秘地方，扶一个蔫单豹计 算机游戏到某具有芙键任务的太空应用系统。 在i p 的艇有合理配罨秘所有台理参数取毽下，邦必须擞到零缺陷。 i p 睢独验证平台一定骚能够被s o c 集成人员部分重用或全部重用，因 为 乍为独立设汁豹i p 需要验i 正，被集成到s o c 后豹i p 也必须褥到验 证。 幽于i p 可能在将来被煎新设计，所以i p 单独验证乎台一定要能够被 簇它的设计酞毹重瑁。 由于验诚平台中的部分元件可能在s o c 集成验证时使用，所以i p 单 独验证平台必须与s o c 集成验证薛掰使蔫鹩验证工英楣弱减兼容。 5 i 2 2s o c 集成验汪 s o c 集成验证是指对整个s o c 进行的整个芯片的验证，为此而建立的验证 环境就称为s o c 集成验证平台( s o ci n t e g r a t i o nv e r i f i c a t i o np l a t f o r m ) 。 s o c 集成验证是s o c 设计中最困难、最重要的环节，它是在流片前发现概 念、功能、实现上有错的最肝机会。由于s o c 设计中使用的是经过预设计、预 验证的i p 核，因此s o c 集成验证的目标放在i p 接口和i p 互连上。 s o c 验证面临的第一个蒯题是验证防问( v e r i f i c a t i o na c c e s s ) 问题。由于 i p 最终要被嵌入到s o c 中，这样i p 的输入输出端口一般无法像独立器件那样 可以直接访问，加之i p 的输入输出端口数目通常要远大于s o c 的输入输出引 脚，因此全部通过s o c 输入输出引脚来访问i p 输入，输出端口的方法是不可行 的。通常一个s o c 需要研十访问机制来传送各i p 验证数据。良好的s o c 验证 访问机制就是要将验证激励从s o c 的输入端口传送到i p 的输入端口上，并将 i p 输出的验证响应传送到s o c 的输出端口上。 s o c 验证的第二个问题是验证控制( v e r i f i c a t i o nc o n t r 0 1 ) 问题。所谓验证 控制就是指在芯片验证过程中，当要验证某一个i p 时就激活该i p 处于验证状 态，而当验证完成后就将浚i p 置于验证复位状态。而当完成整个s o c 验证时 要将所有i p 置于证常的功能模式。在今天的s o c 中，片上重用的i p 可能达到 几卜个之多。这么多的1 p 不呵能同时验证，而是要分批进行验证。这就需要一 种验证控制策略来控制片上l p 的验证。最简单的验证控制策略就是一次验证一 个i p ，但实际上这种策略显然是非常不经济的。我们完全可以将几个较小的i p 组织在一起同时验征，从而减少s o c 总的验证时间，降低芯片成本。因此就需 要有相应的验汪控制逻辑实现对片上i p 进行验证控制。 另一个重要的s o c 验证问题是验证向量( v e c t o r ) 集成。验证向量集成是 指将各个i p 模块的验证向量集成在一起形成整个s o c 的验证程序的过程。由 于真正的验证设备的存储器糌量是有限的，因此要求芯片的验证程序就不能是 各i p 验证向量的简单叠加，而应陔进行向量压缩以达到用尽量少的验证向量验 证出尽量多的故障的目的。但过度的向量压缩会带来更大的芯片验证功耗，因 此需要在向量压缩和验证功耗之问进行权衡( t r a d e o f f ) 。 1 2 ，3 验证对策 对于一个成熟的半导体产品，人们都是追求成本最小化。半导体产品成本 一般包括设计费用、验证费削和封装测试等费用。采用基于i p 重用的设计方法， 可以缩短设计周期，降低设汁费用。验证己成为芯片设计的瓶颈( b o t t l e n e c k ) ， 其大约占整个芯片设计的7 0 ，而且随着i p 标准化工作的进行，其所占比例还 6 在成上升趋势【l ，因此仪仅降低设计费用还是不够的，还需疆尽可能降低骏证 费用。在今天兹s o c 中，重羯豹1 1 ) 接块数越寒越多。翅鹰快速豹骏涯这整l p 和整个系统已成为s o c 验证f | 勺难点和热点i 哺5 扪。常用的提高验证效率方法主要 蠢嚣季孛。一穆是使翊验溅平台 i l 【5 t 1 6 】l l6 】1 2 8 3 1 p 6 1 3 9 1 ，另一秘是提裹验 燕蟾可熬翔 性1 9 1 1 1 l l 【i5 1 f 9 1 2 0 】1 2 1 1 2 2 】1 3 7 】【3 8 】1 4 0 | f 4 l j 【4 5 。5 2 1 。 h a w a n a 等人经过大爨的实验毳歼究后发现，使用验证平台的方法可掇高验溅的 效率f m 】，如表1 3 所示：第二i 列给出了典型的s o c 验证过程中，其主要任努所 占的时间百分比，其中玎发和调试测试这个部分最耗肘间；第四列绘出了使用 验证平台时，s o c 验证过程t p ，英主要任务所占的时闻百分眈，献袭1 3 中可 以看出使用验证平台可以减少2 5 f f j 玎销。 畿f 3s o c 验证中主要任势的开销情况 序号任务典趟s o c 验证使用验证平台 1 _ i i f 究d u v 规范并歼发验“策略 1 0 1 0 2 开发详细的测试计划 1 0 1 0 3 开发澜试平台环境 l o 3 5 4开发和调试洲试6 0 1 0 s 逡行同归涮试集 0 l 6 所有开销 1 0 0 7 5 7 繁约拜锫 02 5 同稃，重爝技术毫爨缮适翅鼍：骏诞镁域酬l l l i l 埘1 9 】1 2 锤2 1 】1 2 2 1 3 7 】3 鄙f 4 如1 4 】i 4 5 + 5 引。 在验证过程中运用重用技术也可以为提高s o c 的验证效率产生巨大的贡献。 翔嚣鬃述，铰蠲验涯乎赍霹戳提褰验证效率。嚣s o c 豹验证又霹分为i p 单独验证和s o c 集成验证，也就是既，为了提高验证效率，我们需疆开发两个 骏涯平台： p 单独验迁乎台和s o c 集戏验证警台。为了最大提高验诞平台的开 发效率，我们希掣能够在s o c 集成验证平台的开发进程中娥大程度的重用i p 单独验证的环境。 1 3 课题的来源、研究目的和懑义 1 3 1 课题的来灏 本论文来源于合肥工业大学微电予设计研究所承担的国家级项目： 国家8 6 3 谤翔“赢链毙c p u 亵s o c 关键浚诗鼓术及开发环境磺究一煞成 电路i p 核评测技术”( 课题编号：2 0 0 2 a a i z l7 3 0 ) 。 1 3 2 研究目的 1 对i p 单独验证平台进铜：可重用性研究，开发出一套可重用的i p 单独验证 平台： 2 】对s o c 集成验证平台进行可重用性研究，开发出一套可重用的s o c 集成 验证平台； 1 ，3 ，3 课题的意义 随着半导体工艺的发展，芯片的集成度己达到数千万个晶体管。这就使得 在单个芯片上集成完整的系统成为必然的趋势，但同时也给芯片设计者带来了 巨大的挑战。这就导致许多专用集成电路( a s i c ) 开发商和半导体制造商不得 不重新检查他们的设计方法学。他们希望能找到某种方法，以便使目前已有的 数目巨大的门电路可以得到柏效的重用。当前的设计工具和方法学已经不能满 足开发包含数百万门集成电路规模的要求。在设计日益复杂的今天，保持设计 队伍的规模和设计进度尤其困难。随着深皿微米工艺的发展，门数不断的增加， 集成电路设计能力的发展速度远远落后于半导体工艺的发展。因此，设计重用 ( 预设计和预验证l p 的使用) 一一成为解决工艺水平和i c 设计效率之间矛盾 最有效的途径。然埘，存实际工业应用当i ：i ：l ，i p 重用并非如我们想象的那样理 想，可以有效和自由地“拼装”到一个系统芯片中去。尤其是将大量来自于不同 部门的独立i p “拼装”成一个完整s o c 的工作相对于“拼装”仅来自于公司内部 的重用模块更要困难许多。原因就在于，公司内部进行功能模块的开发往往采 用较为统一j ：| 勺设计方法学、接口协议和设计准则。而从外部获得的i p ，每一个 可能都有其不同的改计观点和数据格式，对于不同类型的重用i p 如此，即便对 同一类型i p 也存在这样的问题。而这些设计准则和数据格式又恰恰是i p 重用 的基础所在。在“高性能c p u 和s o c 关键设计技术及开发环境研究一集成电路 i p 核评测技术”课题研究了国际公认的s o c 1 p 权威标准化机构v s i a l l i a n c e 颁布的相关标准和规范，结合实际设计给出设计的示范标准化，并希望有助于 在我国i c 产业界推广i p 标准，进而推动我国s o c i p 产业的发展。为了降低整 个系统的开发成本人们尽可能用s o c 来实现，因此与一般的a s i c 不同，设计 中对i p 单独验证和s o c 集成验证是不可避免的，因此可重用验证平台的实现 可以极大的提高验证的效率。 1 4 本文的结构和主要研究内容 本论文共分为五章，简述如下 8 第一章绪论，介绍集成电j i ! 设计发展的概况，系统芯片s o c 和i p 基本概念， s o c 豹验证揍t 羹，以及漂题裳巍、磅究曩懿霸意义。 第二章s o c 验证策略，较为详细的介绍了常用验诫技术及s o c 的验证策略。 第三章i p 单独验证平台，禽绍了 p 单独骏涯平套鹣组成，讨论了可重爝验 证平台中总线功能模型和监视器的设计方法。 第四章s o c 集成验证j 乎台，分析了从】p 单独验证乎台到s o c 集成验证平台 的元件的可熏溺性，重点分析了s o c 集成验证平台结梅和数据缀织。 第五章总结与艇望，总结了论文的工作，辩指出了基于论文的下一步研究工 作。 9 第二章藤向系统芯片的验证方法学 本章主要介绍集成电路静验证方法学，熏点讨论将i p 集成弱一个完整瀚s o c 中所产生的验诚问题，以及在s o c 中常用的验证方法和验证策略。主臻内容包括： s o c 常用验证方法： s o c 验证的策略； 2 1 概述 系统功能和时序的验证或许是s o c 设计中最困难、最重骚的环节，它是在流 片兹发现概念、功能、实现( i m p l e m e n t a t i o n ) 上肖镫的最后机会。对予多数 设计团队来说，验证工作占总设计e 作量的5 0 至u 8 0 。 从设计_ 丌始到综会、优化设计和调试等阶段，验迁是贯穿s o c 设计全过程的 灌要组成部分，而不只是在设计完成艏才考虑的事情。 系统的验诚在系统规范( s p e c i f i c a t i o n ) 阶段就已开始。系统功能规范中 必须描述基本的籍涯计划，包括在漉片之藩必须馓嘟些验诞，鞋及验 正完成豹 标准。随着系统级行为模型( b e h a v i o r a lm o d e l ) 的建立，也应开发相应的验 证平台淤验证这鳖褛黧。圈诺，瘸该系统缀行为禳撵藏可避行系绕装譬 静舞发 和验证，而不必等真正的硬件开发出来。这样，当整个s o c 的寄存器传输级( r t l ， r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l 代溺鞫功栽撰型集藏爱，朝蕊冀簿德验瀑避，大量豹 验证程序和验证软件( 包括实际应用程序在内) 就威该准备好了。 或功兹( 快速瓣) 系绞骏 歪取决予妇下溺素： 验证计划的质量； 验证平食的矮量釉抽象程度； 验证工具的住i 能和质最； 预先设计的lp 的鲁棒性； 2 2s o c 常用验证方法 当前s o c 设讨中，广泛使用的验证披术主要有动态验证技术( d y n a m i c v e r i f i c a t i o n ) 、静态验诞技术( s t o i cv e r i f i c a t i o n ) 秽f p g a 耱涯技零。瑟静态验 证又分为功能验证和j 时序验n l 。 2 2 1 逻辑仿真一一一种动态验证技术 逻辑仿真也称仿真( s i m u l a t i o n ) ，它直接采用| 甑路的布尔逻辑进行建模， 藤不关心电路爨处的中蚓状态，这一镐他大大降低了验涯电路所嚣要豹计算代 价。使得验证遮度得以大大提高。 早期的逻辑仿真软件以仿真电路的逻辑功能为主，多采用零延时、单位延 时、最大最小燕时等简荦延迟模蜜，i 耐将时膨分析交给专用的时穿仿真程序来 兜成【5 ”。而当前的逻辑仿真坎件般可以尉时完成功能仿真和时序仿真。 当静，实璐遥辑仿粪有两种方式，鞠事件驱动仿粪( e v e n t * d r i v e ns i m u l a t i o n ) 和周期驱动仿真( c y c l e d r i v e ns i m u l a t i o n ) 。谯事件驱动仿真中，仅在电路某些 节点豹逻辑电警发生改变静愤凝下菇辩邃潞巾褶痤节熹静逻辑毽遗行重鬏诗算 5 5 1 。也就是泌，只有农电路中发生了浆个或浆些事件时，才对事件所产生的影 溺进行诗箕，戳确定惫臻霹缝发叟数炎纯，嚣蠲蘩骚动菸奏只是在蠢效熬瓣镑 边沿检测到输入信号发生变化时刊重新计算相关的输出结果，这样就极大地加 浚了蕊冀器兹楚理速度。氇捌期驱裁纺囊只爨供了一秘快速戆功懿传真手段， 它不能j 荻行时序分析1 5 6 1 ，且宦的应用仪局限于同步设计。 弱翦，有些傍真器嗷收了这两弛技术的饯点，农仿真开始对，瓣于厨步设 计，采用周期驱动仿真，而在随后的验证中礴采用事件驱动仿真，对电路进行 全面的验证。 2 2 2 静态验证技术 由于动态验证对资源的需求很大。因此动态验证技术无法胜任大规模集成 毫潞验诞。解凌这个嗣遨静关键是在r t l 级袋用快遽翡功藐验证，蠢在门级采 用静态骏证。静态验证包括形式化验证( f o r m a lv e r i f i c a t i o n ) 和静态时序分析 ( s t a 。s t a t i ct i m i n ga n a l y s i s ) 嚣剥1 。 形式化验诚是用数学的方法证明设计的正确性，常用两种方法：等价性检 验( e q u i v a l e n c ec h e c k i n g ) 拳l 摸型捻验( m o d e lc h e c k i n g ) 。由予形式化验逐暴露 静态的、数学的方法，因而形式化验证不需袋测试向量，形式化验证方法要比 仿真更蛟、更精确。 模烈检验也称属性检验( p r o p e r t yc h e c k i n g ) ，爵前其使用还未用于实际应 用中。 等价性检验是用数学的方式证明电路的两种形式是等价的。设计中一般用 此来比较门级网表和r t l 级网激是否等价。许多e d a 公司已开始提供等价性检 骏工具，鲡s y n o p s y s 公镯的f o r m a l i t y 。 f o r m a l i t y 比较两个设计时，将它们读入存储器，然后在它们的数据结构上 使用形式化的数学算法。如果它们有相同的同步功能和状态保持器件( 寄存器 和锁存器) ，就可以成功的比较。如果两个电路在各个输出引脚和每个寄存器和 锁存器上的功能是相同的，这两个电路就认为是等价的。 形式化验证可以用来检查初始的r t l 描述与下述设计的等价性： 综合后的网表。 插入测试逻辑的网表。最直接的是插入扫描链，如插入片上j t a g 结构， 则需增加- - 置位逻辑，但其等价性仍然可以采用形式化验证。 时钟树插入和版图砹训完成后的网表。这需要比较层次化的r t l 和扁平化 的网表。 手工编辑后的网表。通常工程师会在最后做一些手工编辑，来改变性能、 可测性或功能。 等价性检验的最大优点是它以r t l 作为设计的基本参照( r e f e r e n c e ) ，而不 管对最后的劂表做过什么样的改动。即便电路的功能在设计的最后一分钟通过 编辑网表改变，只要将棚同f 向改变反映到r t l 中，依然可以用形式化方法验证 r t l 和最终的网表的等价性。 对于大规模的设计而言，门级和r t l 之间的形式化验证实在是太慢了，特 别是如果要多次迭代。在这种情况下，最好是在r t l 和门级网表之间使用一次 形式化验证，然后用门级网表作为以后迭代的基本参照。例如，可蛆在时钟树 插入的前后使用等价性检验，等价性检验的算法在进行门与门之间的比较时的 效率要远远高于门与r t l 之问比较的效率。 静态验证的另一个技术是静态时序分析。静态时序分析是分析、诊断和确 认一个设计的时序特性的彻底方法。它将整个电路分解为一组组路径，然后分 别计算电路中每条路径的延时，并对照时序约束检查任何可能的时序违反情况。 静态时序分析检硷的重点是时序单元的建立( s e t u p ) 和保持( h o l d ) 时间。 由于静态时序分析不需要输入测试向量，因此它比传统的仿真技术要快好 几个数量级，适剐于较大规模的设计，它可以辨别出设计中所有的关键路径 ( c r i t i c a lp a t h ) ，但其所辨认出的关键路径中可能存在着伪路径( f a l s ep a t h ) 。静态 时序分析只适用于同步电路i ： 计。 相比之下，动态验证不局限于同步电路，且验证的结果比较准确，不会辨 别出伪路径，但其不足在于速度较慢，且有可能遗漏某些关键路径，因为仿真 技术在辨别关键路径时，重依赖于输入的测试向量。因此，在当前较大的设计 中，般要i 司时使用动态和静念验证技术，以尽可能保证设计的可靠性。 2 2 3f p g a 验证 s o c 的现场可编程门 埠列( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 验证，类似 予多芯片的限入式系统调试。在验证时，一般采用窳际的硬件环境( 需要制作 帮秘毫路板( p c b ，p r i n t e dc i r c u i t b o a r d ) ) ，嚣魏霹滋横羧芯冀在奏实耱理 鎏赛孛 的工作情况。所以，f p g a 验e 魁确保：i ! ! ：= 片j f 常工作的一种必要手段。需要指出 鹣是，捺建这张的一个验谖乎台，其鞠怼予趱缝敦传验涯强凌f 软增g 磐协翳验 证环境) 而言成本相当离；但是，与芯片的投片费用相比，还是要少得多。 f p g a 设诗憩翔今硬譬设跨敬一个趋势。宅用硬馋接述谗言或者原理图馋为 设计输入，运用电路综合工其和实现二 = 具，使f p g a 成为一个具有特殊应用的定 铡芯片。f p g a 芯片糟缎多基本逻辑单元集成在一个