（微电子学与固体电子学专业论文）soc功能验证自动化系统的设计与实现.pdf

s o c 功能验证自动化系统的设计与实现 摘要 验证( v e r i f i c a t i o n ) 一直是芯片设计领域中最困难和最具挑战性的课题之 ，它是芯片没计过程中发现概念上、功能上或是实现上的错误的唯一手段。 从设计丌始到设计综合、系统软件、逐步求精和调试等阶段，验证是贯穿芯片 设计全流程的重要组成部分，而小是只在设计完成后才考虑的事情。大量的统 计表明，验证工作约占总设计工作量的5 0 8 0 。近儿年来随着专用集成电 路( a s i c ) 和系统芯片( s o c ) 的复杂度的不断提高，以及来自面市时间的巨 大压力，芯片验证，尤其是功能验证币日益成为电子产品开发和设计的“瓶颈”。 同时在s o c 设计中，i p 重用设计方法学和大量新的设计技术的采用，使得产品 设计和产品功能验证之间出现了牛产率的“剪，j 差”，而解决方法就是在功能验 证中引入新的验证方法学和基于新的方法学上的验证技术。 大量实践证明，基于事务的验证重用方法学是提高功能验证效率的最有效 的方法之一。本论文在该方法学基础上，完成了一个s o c 功能验证自动化系统 的设计与实现，主要工作如下： 1 研究了现有的功能验证工具，提出了一个层次化的验证系统结构，该结构具 有较好的重用性，更容易实现自动化流程； 2 在该体系结构下，研究了验证工具的集成、设计数据的抽象和自动化流程的 实现等问题； 3 作为对提出的体系结构的实践，在u n i x 平台下，用v e r i l o g 和c 实现了该 体系，并应用7 - m c u 的功能验汪中： 4 讨论了功能验证平台中总线功能模型( b u sf u n c t i o nm o d e l ，b f m ) 和总线 监视器( b u sm o n i t o r ) 的设计方法，给出了叮重用设计的规则； 本论文建立的s o c 功能验证系统结构，可以应用于较大规模的s o c 的系统 级、寄存器传输级和门级的验证中，通过本课题研究，为圈内s o c 功能验证积 累经验，为国家超大集成电路的发展奠定一个坚实的基础。 关键词：s o c 、功能验证、测试平台、事务验证模型 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs o cf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m a b s t r a c t v e r i f i c a t i o n i s p r o b a b l yt h e m o s td i f f i c u l ta n d i m p o r t a n ta s p e c t o f s y s t e m o n c h i p ( s o c ) d e s i g n i t i st h eo n l y o p p o r t u n i t yt o f i n d c o n c e p t u a l ， f u n c t i o n a l ，a n di m p l e m e n t a t i o ne r r o r sb e f o r et h ed e s i g ni sc o m m i t t e dt os i l i c o n ，f o r c h i pd e s i g n ，v e r i f i c a t i o nm u s tb ea ni n t e g r a lp a r to ft h ed e s i g np r o c e s sf r o mt h e s t a r t ，a l o n gw i t hs y n t h e s i s ，s y s t e ms o f t w a r e ，b r i n gu p ，a n dd e b u gs t r a t e g i e s f o r m a n yt e a m s ，v e r i f i c a t i o nt a k e s5 0 一8 0 o ft h e o v e r a l ld e s i g ne f f o r t i nt h e e l e c t r o n i ci n d u s t r yt o d a y ，t h ec o m b i n a t i o no fi n c r e a s i n gc o m p l e x i t yo ft o d a y sa s i c a n ds y s t e m sd e s i g n sa n dr e l e n t l e s st i m e t o m a r k e t ( t t m ) p r e s s u r e sh a sr e s u l t e di n v e r i f i c a t i o n ，e s p e c i a l l yf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n ，j u m p i n gt ot h et o po ft h el i s to f b o t t l e n e c k si nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cp r o d u c t su t i l i z i n gs o c at r a n s a c t i o n b a s e dv e r i f i c a t i o nm e t h o d o l o g y ( t b v ) c a nb et h em o s te f f e c t i v e m e t h o dt om a k ef u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n b a s e do nt h et b vm e t h o d o l o g y a f r a m e w o r kf o rf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o na u t o m a t i o ns o l u t i o ni sp r o p o s e di n t h i s d i s s e r t a t i o n t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 b y s t u d y i n gt h et o o l sf o rf u n c t i o nv e r i f i c a t i o n ，al a y e r e da r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h el a y e r e da r c h i t e c t u r eh a sab e t t e rr e u s a b i l i t y ，a n dcanb e e a s i l ya u t o m a t e d 2 t h ef o l l o w e dp r o b l e m sh a v eb e e nd e e p l yr e s e a r c h e d ：i n t e g r a t es e a m l e s s l yw i t h e x i s t i n gv e r i f i c a t i o nt o o l s ，d e s i g nd a t aa b s t r a c t i o n ，a u t o m a t e dv e r i f i c a t i o nf l o w i m p l e m e n t 3 u s i n gv e r i l o ga n dcl a n g u a g ei m p l e m e n tt h el a y e r e da r c h i t e c t u r eo nu n i x o p e r a t i o ns y s t e m 4 ar e s e a r c hi sd o n ef o rs t u d y i n gt h er e u s a b l ed e s i g np r i n c i p l e so fb u sf u n c t i o n m o d e l ( b f m ) a n db u sm o n i t o rf o rr e u s a b i l i t y t h ef u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o nf r a m e w o r ki sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc a nb e a p p l yi ns o cs y s t e ml e v e l ，r t ll e v e la n dg a t el e v e lv e r i f i c a t i o n w ea c c u m u l a t e d e x p e r i e n c e st os o cf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n k e y w o r d ：s o c ，f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n ，t e s tb e n c h ，t r a n s a c t i o nv e r i f i c a t i o nm o d e l 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特刹加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人t 三经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金! ：业厶堂 或其他教育机构的学位或证1 而使t l f = 过的材 料。与我一同l 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：) 飘葫签字嗽。? 年f 月可曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b = ：些厶：茎有关保留、使_ l f j 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什和磁糯，允许论文被查蒯或借阅。本人授权金 世= i ：些厶堂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。 r ( 保密的学位沧文在解密后适用本授权- 抽) 学位论文者签名 闸葫 签字口期：叩年f 月叩日 学位t 龟文作者毕业厉去向： j 作单位： 通讯地址： 导师签名 0 1 产鸟 签字日期：6 v 年叶月多7 日 电话 邮编 致谢 首先，我要向导师刘声雷副教授和高明伦教授表示感谢。两位老师学识渊 博、治学严谨，而且诚恳待人，诲人不倦。他们对科学的认真态度和崇高的品 德是我永远的楷模，将使我终身受益。由衷感谢两位老师的培养、支持和无私 的教诲! 还要感谢潘剑宏老师对我的工作和生活都给予的精心指导和充分关心。 感谢8 6 3 i p 核评测技术项目组的全体成员：张溯，詹文法、杨羽、张振、 林慧君等在课题中提供的无私帮助。 特别要感谢项目组组长张溯博士在工作和学习上给予我的指导。在本文的 整个写作过程中，提供相当有价值的帮助，同时他花费了大量的晚上和周末的 时问耐心阅读本论文，及时提出宋贵的修改意见。 还要感谢合肥工业大学微电子设计研究所全体同仁在我研究生学习期削给 予我的帮助和支持。 感谢我的父母多年来的培养、帮助、关心和支持，还有我的女友何倩，特 别感谢她在我论文写作过程中所给予的持续支持与鼓励。 最后，感谢文中引用过文献的所有作者们，没有他们的工作，就不可能完 成本论文，同时他们的严谨研究态度止我受益非浅。 作者：周萌 2 0 0 4 年4 月 第一章绪论 1 1 集成电路的发展 1 , 2 1 人类社会已经步入高度发达的信息化社会，而信息化社会的发展离不开以 集成电路( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 为基础的电子技术和产品的进步。现代电子 产品在性能和功能不断提高的同时，价格却一直呈下降趋势，而且产品更新换 代的步伐也越来越快，实现这种进步最主要的原因是集成电路制造工艺及其设 计技术的持续发展。 从1 9 4 7 年第一支半导体晶体管的发明，到1 9 5 8 年采用硅平面工艺的集成 电路诞生，直至目前f 在发展中的系统：占片，半导体和集成电路一直遵循摩尔 定律( m o o r el a w ) 的预言高速发展着，即硅芯片的器件集成密度每1 8 个月增 长一倍。工艺上的不断进步，使得在i c 在5 0 多年的发展历程中，经历了小规 模集成电路( s s i ) 、中规模集成电路( m s i ) 到大规模集成电路( l s i ) 、超大 规模集成电路( v l s i ) ，而达到了今同的特大规模集成电路( u l s i ，集成度 1 0 8 元件芯片) 阶段。 i c 设计技术的发展则表现为电子设计自动化( e d a ，e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 技术的进步。随着计算机技术的发展，e d a 技术经历了计算机辅 助设计( c a d ，c o m p u t e r a i dd e s i g n ) 、计算机辅助工程设计( c a e ，c o m p u t e r a i d e n g i n e e r i n gd e s i g n ) 和电子系统设计自动化( e s d a ，e l e c t r o n i cs y s t e m d e s i g n a u t o m a t i o n ) 三个阶段。 正是源于这种史无前例的进步速度，使得移动电话、彩色电视、数码相机、 个人电脑、互联网络等高科技全面进入了寻常百姓家，迅速改变着人类的生产 模式、文化娱乐和生活方式。 1 - 2i c 设计技术与验证技术的发展 通常j c 的实现可以划分为制造 敛过程，见图1 1 6 1 。 设计 产品规范 ( m a n u f a c t u r e ) 和设计( d e s i g n ) 两个收 制造 芯片 验证 测试 ( v e r i f i c a t i o n ) ( t e s t ) 图i 1 集成电路实现过程的收敛路径模型 如图所示，整个实现过程可以被三个标志点( 规范、网表、芯片) 划分成 两个循环。其中由“规范”到“网表”的循环代表了设计过程，“网表”到“芯 片”的循环则代表了制造过程。而验证( v e r i f i c a t i o n ) 和测试( t e s t ) 是构成两 个循环必不可少的环节 6 1 。 验证( v e r i f i c a t i o n ) ：确认设计是否和产品规范的功能特性保持一致的活 动； 测试( t e s t ) ：确认实际制造的：占片是否和电路网表保持一致的过程； 在测试过程中，生产的芯片与电路网表进行一致性检查，目的是确定芯片 是否在制造过程中引入了缺陷。测试的完成仅仅说明芯片的制造过程是正确的， 但是不能保证芯片的设计结果是正确的。而后者只能依靠验证过程来保证。 当i c 流片后，如果发现存在严重的功能设计错误，此时修改设计的代价是 巨大的。因此，我们说i c 的质量主要依赖于它们的验证过程的好坏，不好的验 证，不论由于什么原因，极有可能造成集成电路的设计失败。 1 2 1 手工设计阶段 早期的电路规模小、功能简单，可以依据所设计电路系统的具体要求，先 进行功能划分，对每个功能块画出真值表，逻辑化简后写出布尔表达式，手工 画出电路图。对于集成电路，还必须进行绘制版图、以及刻红膜等系列复杂 的手工操作。 在这一阶段中验证和测试并没有严格的区分，一般等生产出芯片后才能进 行实测。而设计过程中的手工验证虽然必不可少，但是由于手工验证本身的局 限性，使得验证变得很困难。 对手工设计方法作简单总结，其缺点突出表现在以下几个方面： 手工操作的效率低下，复杂电路的设计、调试十分困难： 设计的实现过程与具体生产工艺相关，没有通用性； 只有在生产出芯片后刊能进行实测，如果设计过程中存在错误，难以定 位和修改； 因为这些明显的不足，手工设计很快就被新的方法学所取代。 1 。2 。2 计算机辅助设计阶段( c a d ) 到了2 0 世纪7 0 年代，随着中规模集成电路的出现和应用，传统的手工制 图设计集成电路的方法已无法满足设计精度和效率的要求，人们开始将产品设 计过程中高重复性的繁杂劳动如布图布线工作用二维平面图形编辑与分析的 c a d 工具代替。 验证技术在这一阶段主要包括了电路模拟( s i m u l a t i o n ) 和设计规则检查。 使用验证工具，可以在设计过程中对芯片进行确认，而不用等到最后的样片出 来。但是这时的电路图输入、电路模拟与版图设计、版图验证是分别进行的， 设计人员需要对两者的结果进行多次的手工比较和修改才能得到正确的设计。 第一代c a d 系统的引入使设计人员摆脱了反复、易出错误的手工设计房 法，大大提高了效率，因而得到了迅速的推广。但是此时的辅助设计是在版图、 电路图的抽象层次上，不适应规模较大的设计项目，而且设计周期长、费用高。 1 2 3 计算机辅助工程阶段( c a e ) 为了适应随着电子产品复杂度的不断增加，2 0 世纪8 0 年代出现了以电路 模拟和自动布线为核心技术的第二代e d a 技术。与c a d 技术相比，它集逻辑 图输入、逻辑模拟、测试码生成、电路模拟、版图设计、版图验证等工具于一 体，引入了自动布局布线工具和版图电路图一致性检查工具，将逻辑设计和版 图设计连接在一起，实现了工程设计。 版图电路图一致性检查工具，可以对设计完成后的版图进行逻辑参数提取 ( l p e ，l o g i cp a r a m e t e re x t r a c t i o n ) 得到相应的电路网表，并将此电路图与设 计的原电路图进行比较，从而可发现设计是否有错。同时还将l p e 得到的版图 寄生参数引入电路图，作一次电路模拟( 称为“后模拟”，p o s t s i m u l a t i o n ) ，以 进步检查电路在引入这些寄生参数后的时序和速度是否仍符合原设计要求。 尽管这些验证技术的引入提高了流片的一次成功率，但是一致性验证和“后 模拟”仍是在设计的版图和电路图抽象层次上进行，因而如果一旦发现错误， 还需要修改版图和修改电路，需付出很大的代价( 当然可避免流片的损失) 。而 且图形化的输入方式导致工具之间界面千差万别，学习使用困难，并且互不兼 容，c a e 工具也不能适应日益复杂集成电路系统设计的要求。 1 2 , 4 电子系统设计自动化( e s d a ) e s d a 阶段：9 0 年代，随着芯片的复杂程度越来越高，数万门以至数十万 门的电路设计的需求越来越多，单是依靠原理图输入方式已经不堪承受，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 ) 应运而生。e s d a 系统采用 标准化的硬件描述语言( 如v e r i l o gh d l ，v h d l ) 来描述被设计的电路特性， 自顶向下的跨越各个层次，完成整个设计。图1 2 给出了使用h d l 进行i c 设 计的典型流程。 产 品 兢 范 算 法 级 行 为 级 蝌_ 一釜妻 试i 能 设计流程 门 级 网 表 蠼h 罐 验证流程 版 图 性 能 验 证 最 终 验 证 版 凰 文 件 图1 ，2e s d a 系统中的集成电路设计方法学 在图1 2 中，深色方框表示的是设计步骤，从系统级的算法开始，直到最 后的版图文件生成，这是一个从较高的设计层次向较低的设计层次转换的过程。 而在高层次描述向低层次描述转换的过程中，都会进行相应的验证，来确保转 换前后的设计的一致性。 目前e s d a 系统中可用的验证技术可以分为四类：模拟技术、静态( s t a t i c ) 技术、形式化( f o r m a l ) 技术和物理( p h y s i c a l ) 验证和分析j 。模拟技术是在 一系列激励的作用下，对一个设计方案的一个或几个模块的硬件实现等进行验 证，主要工具包括了h d l 模拟器、模拟混合信号( a m s ) 仿真、代码覆盖率 等；静态验证技术则不需要编写激励，而是通过直接对设计进行分析来完成验 证，工具包括代码分析( 1 i n tc h e c k ) 和静态时序分析；形式化验证采用数学证 明的方法来校验当前设计和参考设计( r e f e r e n c ed e s i g n ) 之间的一致性。形式 化验证工具应用在设计流程中，确认设计在不同层次上是等价的，如比较寄存 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 ) 描述和门级网表( g a t e l e v e l n e t l i s t ) 描述。物理验证是在电路和版图层次上，考虑设计的电学特性以及互连延迟， 通常物理验证应用在布局布线阶段，主要工具包括了逻辑图版图一致性检查、 版图设计规则检查、寄生参数提取等。通常在i c 的设计过程中，会同时使用多 种验证技术，如在系统级和r t l 级使用h d l 模拟器和代码覆盖率工具，而在 门级验证中则结合使用形式化验证工具和静态时序分析：j ：具等，进入到布局布 线的设计阶段，采用物理验证技术。 图1 2 同时采用h d l 进行电路描述可以从系统级丌始验证，这符合“早发 现、早解决”的验证原则。在系统验证中，我们主要是希望发现系统设计和产 品规范中的存在的问题：在r t l 验证中，主要验证的是设计的功能是否正确； 在门级网表的验证中，电路已经具体对应到某一库中的器件，我们需要验证对 应后电路的时序是否正确：在布局布线后中，主要是验证设计的物理实现的正 确性，包括设计规则检查，信号完整性检查等】。 e s d a 系统的应用，大大缩短了设计周期，大量的验证技术的出现，减少 了人为错误出现的可能性，降低了新产品的开发成本。而且e d a 工具的发展趋 势是高度自动化，这使得工程师可以摆脱大量的设计细节，而专心于系统级没 计。 e d a 技术的发展经历了从版图级的辅助设计，到系统级的辅助设计的过 程，这里充分体现了i c 设计方法发展中的普遍规律4 】：设计层次不断抽象的原 则。这罩抽象层次( a b s t r a c tl e v e l ) 是指描述电路特性的方法的抽象程度，它 历经版图、门级网表、r t l 描述发展到高层语言( 如c ) 模型。图1 3 总结了 e d a 技术和设计规模的发展规律。 7 0 - q - 代 设计抽象层次设计技术验证方法设计规模 图1 3e d a 技术的发展和设计层次的提升 图1 3 中的空心箭头描述了一个完整的i c 设计流程中设计抽象层次的转 化，而两个实心箭头则描述了e d a 技术中，设计技术和验证技术的随时间的发 展过程。随着设训+ 规模的不断增加，设计的抽象层次也不断提高，相应的e d a 技术也就必须提供对较高抽象层次的设计和验证的支持。这里需要说明的是， 虽然在验证和测试是两个不同意义的术语，但在某些实际的惯用法中，人们也 会用测试替代验证，如测试平台( t e s tb e n c h ) 实际上是指用于功能验证的环境。 1 - 3s o c 和功能验证的挑战 到2 0 世纪9 0 年代中期，当集成规模发展到可以将整个数字计算机系统集 成到一块芯片上时，系统芯片( s o c ，s y s t e m o n a c h i p ) 出现了。s o c 通常指 在单一芯片上实现的数字计算机系统。该系统应包含两个基本部分：硬件部分 和软件部分。硬件部分包括pp 、b u s 、e m b e d d e dm e m o r y 、i 0p o r t 等计算机 系统的基本部件；软件部分主要指操作系统，也可以包括重要的应用软件弗j 。 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 原有芯片的基础上增加更多功能，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面市时间( t t m ，t i m e t o m a r k e t ) 。因此，它将是集 成电路产业未来总的发展趋势。 然而，目前集成电路的设计能力和工具能力远远落后于半导体工艺的发展。 从图1 4 可以看到，在过去的两个十年中，加l 技术以平均年递增5 8 的速度 发展，而设计能力的发展速度只有2 1 。加之s o c 的设计非常复杂，需要投入 大量的人力和物力，单独的一个公司几乎不可能拥有足够的工程资源和经费来 进行整个芯片的丌发。设计能力和工艺水平之问的矛盾成为s o c 发展过程中 个非常突出的障碍。 s 嚣 鐾 望 越- q 望 ：卧 倒l - 4 半导体工艺发展与i c 设计效率增k 之间的剪刀差 基于i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 重用的设计方法学是解决这一矛盾非常有 效的办法。设计公司通过使用现有的电路模块，或是从其他公司那里获得所需 要的i p 核，然后将这些合适的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。如图1 5 所示。这就是i p 核的重用技术( i pr e u s e ) 。 这罩i p 是集成电路知识产权模块的简称。我们将其定义为：经过预先设计、 预先验证，具有相对独：证的功能，可以重复使用在s o c 和复杂a s i c 中的电路 模块。在工业界，其又常被称为s i p ( s i l i c o ni p ) 。 i p 重用技术对集成电路设计，尤其是s o c 设计生产率提高方面的促进作用 相当显著。美国c o l l e t t 公司曾作过这样一个分析，在通过对二十余个i c 设计 团队，近百个具体的电路进行跟踪量化比较后发现，i p 重用技术对集成电路设 计，尤其是s o c 设计生产率提高方面的促进作用相当显著。在1 9 9 7 年，每个 6 没计：i j 程师进行新设计时的生产率为l l o o 个晶体管周，而采用i p 模块进行设 计的生产率为2 1 0 0 个晶体管周。到了2 0 0 0 年，每个设计工程师进行新设计时 的生产率仅增加了一倍，为2 6 8 3 个晶体管周，而采用i p 模块进行设计其生产 率约为3 0 0 0 0 个晶体管周。 圈j 5 未使_ ji p 核重刈的f c 和使用i p 棱重用的】c 通常一个s o c 芯片的规模在几百万门至几千万门左右，面刑这么高的复杂 度，验证成为芯片设计中最困难、最具挑战性的课题之一。统计表明，在中等 规模或大规模的集成电路设计中，验证工作约占总丌发工作量的7 0 ，甚至更 多【j ，而造成首次流片不通过的原因中，有7 0 是在验证阶段没有发现功能缺 陷导致的，而不是时序或是面积的问题i l “。随着s o c 设计规模和复杂度的不断 增加，以及产品丌发周期、面市时间的不断缩短，验证，尤其是功能验证 ( f u n c t i o n a l v e r i f i c a t i o n ) 正n 益成为电子产品设计和开发的“瓶颈”。 在传统的基于模拟的功能验汪方法中，设计团队首先需要根据设计规范开 发相应的模块级( b l o c k l e v e l ) 和系统级( s y s t e ml e v e l ) 验证计划，验证计划 通常包含验证设计功能f 确性的各种边界条件( c o r n e rc a s e ) 和覆盖率需求。 接下来，根据这个计划开发测试平台( t e s tb e n c h ) 并进行设计各个层次上的验 证。这一步工作将一直持续到满足验证计划的全部要求为止。传统功能验证 的测试平台主要包括激励生成( s t i m u l u sg e n e r a t i o n ) 和响应检验( r e s p o n s e c h e c k ) 两个部分： 其中，激励又可以分为两类：确定性激励。用于验证设计的典型功能或 具体的边界条件；约束驱动的随机激励( c o n s t r a i n e dr a n d o mt e s tv e c t o r ) 。 响应检验则主要通过以下两种方法实现p5 j ：对待验证设计( d u v ，d e s i g n u n d e rv e r i f i c a t i o n ) 的黄金模型( g o l d e nm o d e l ) ( 通常是经过验证的设计的高 层次行为模型) 和其自身施加相同的激励，并比较两者的输出 4 】：通过专门 的检验器监视和检查响应输出是否与设计规范相致。 然而，s o c 和基于重用的设计方法学的出现对传统功能验证方法提出了新 的挑战，主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 在基于重用的设计方法学中，作为独立设计的i p 需要验证，被集成到 最终应用系统后的i p 也必须得到验证。然而丌发多样、独特的测试平台需要花 费非常多的设计努力；同时，s o c 集成者对第三方i p 缺乏足够了解或相关专业 的知识。因此，类似于重用i p 没计s o c 一样，其他设计团队也希望能够重用 原先的i p 测试平台，或者是其中的某些构件。测试平台的重用是一种有效的功 能验证策略，这种方法允许设计者对于任何层次、任何应用的设计都可以以最 小的花费、最大的连贯性丌发高质量的测试平台。 但是在传统验证方法的许多情况下，测试平台是在信号级( s i g n a ll e v e l ) 的接口上直接与d u v 相通讯，即使用激励直接驱动d u v 的引脚，并通过检查 接口信号的值和变化达到验证设计功能的同的。这种测试方法的抽象层次较低， 平台的开发与设计的接口协议紧密相关，从而就使得测试平台的重用变得非常 困难。 ( 2 ) 验证的目标是确保设计在任何合理的配罱和应用当中都是零缺陷。为 此，测试工程师必须开发一套离质量( 高覆盖率) 的测试( 激励) 集( t e s ts u i t e ) 。 由于传统功能验证的抽象层次较低，随着设计规模的不断增加，其测试集的丌 发存在周期长、代码过于庞大( 需要开发大量的代码来模拟协议的各种可能情 况) 等缺点，很大程度上影响了产品的质量和产品的设计周期。 实践证明，验证重用方法学( v e r i f i c a t i o nr e u s em e t h o d o l o g y ) 是解决上述 问题的最有效方法 12 1 。本论文将在验证重用的基本思想下，研究s o c 的功能验 证中的关键问题，需要提出的是，功能验证是一个包含众多方法和工具在内的 广泛意义上的概念( 如，形式化验证、硬件仿真、物理原型验证等都属于该范 畴) ，本文中所讨论的内容仅限于基于模拟( s i m u l a t i o n ) 的功能验证技术。 1 4 基于事务的验证重用方法学 基于事务的验证( t b v ，t r a n s a c t i o nb a s e dv e r i f i c a t i o n ) 是基于模拟的验证 技术发展过程中的一个必然阶段，也是验征熏用的基础和前提。t b v 通过在验 证过程中引入事务的概念，将引脚级( 信号级) 提升到一个高的抽象层次，从 而方便了测试平台的开发和重用；有助于模拟运行的调试( d e b u g ) 和覆盖率 分析，使得验证工程师的工作效率得到极大的提高。t b v 在1 9 9 8 年首次提出， 并迅速在集成电路功能验证中得到了广泛的应用i i 。 所谓事务( t r a n s a c t i o n ) 是指，在模块的接口上一次性完成的组操作或 信号变化序列。在一个抽象概念上包括信号的变化，数据的处理、传输，系统 的状态等。事务可以通过它的起始时间、结束时间和属性( 包括数据变化与流 向、控制信号的动作以及其他一切相关的信息) 来描述。事务的概念很宽，可 以简单到存储器读，或者复杂到通讯通道内整个数据包的传输。事务级 ( t r a n s a c t i o nl e v e l ) 是设计体系结构所处的抽象层次，也是可以有效验证设计 的层次【 【】【】。 以总线读写为例，外设总线的主设备通过读和写事务与总线的从设备进行 通讯。当外设总线经地址译码发出有效启动信号删工时读写事务丌始，当接受 到外设的有效响应信号后事务结束。基本的读写事务具有两个属性，数据和地 址，见图1 6 顶端的方框。读写事务对应的接口信号级行为见图1 6 的底部。 c l o c k address w d a t a 攫撅耐弼 图1 6事务与接口信号间的对应关系 事务可以采用函数的形式表达，其格式为： t r a n s a c t i o n x ( a r g1 ，a r g2 ，a r gn ) ： 其中，t r a n s a c t i o n x 为事务的名称，在本论文第四章的讨论中可以发现它 往往与总线功能模型或临视器中的任务名相同；a r gn 为事务的具体属性参数。 例如，对于图1 中的实例，写1 6 位数据的事务可以表达为：w r i t e l 6 ( x 0 0 4 0 ， x 7 8 5 6 ) ，表示向地址x 0 0 4 0 中写入一个字的数据7 8 5 6 ；读1 6 位数据的事务可 以表达为r e a d l 6 ( x 0 0 4 0 ，x 7 8 5 6 ) ，表示从地址x 0 0 4 0 中读取实际数据并与期 望值7 8 5 6 进行比较。 一 由于在传统功能验证过程中，信号级激励的编写始终面对的是0 和1 ，t b v 方法学允许设计者以更直观的方法开发验证激励，这就好像人们是通过键盘和 鼠标，而不是二进制的纸带与计算机通讯一样方便。通过将抽象层次从信号提 升到事务，验证工程师就很容易编写验证激励、调试模拟，并分析验证覆盖率。 这种支持对约束随机测试模式尤其有用它确保了随机激励生成器确实产生了 模拟各种可能情况的验证激励。 事务级是设计体系结构所处的抽象层次，系统的体系结构设计者决不会在 一丌始就考虑电路各个具体引脚之间的关系。他们更多考虑的是整个系统的数 据流、数据的存储方式等问题。因此，从这一角度来看，t b v 方法学也是高层 次设计过程的自然延伸，它允许在系统级编写确定性激励和随机激励，并直接 在系统级行为模型上使用【1 2 j 。 a k 撇 | 眦 黼鲫 1 5 论文主要研究内容及章节安排 本论文的研究内容来源于“国家8 6 3 计划项目“高性能c p u 和s o c 关 键设计技术及开发环境研究一一集成电路i p 核评测技术”( 项目编号： 2 0 0 2 a a l z l 7 3 3 ) 。陔项目重点研究i p 质量的评估和测试方面的相关技术，为 我国s o c i p 设计方法学的提升和产业环境建设作基础技术方面的准备。 课题的主要研究内容包括： ( 1 ) 作为l p 功能验证平台基础结构的标准外设片上总线及其接口设计技 术的研究； ( 2 ) i p 可重用性评测的理论、方法、工具和流程的研究； ( 3 ) 验证l p 功能正确性的可重用功能验证平台的设计技术研究。 本论文中提到的内容是第三个子课题的研究部分。论文的章节安排如下： 论文第二章在基于事务的验证重用方法学的基础上，讨论s o c 验证策略和验证 方法学，并将比较三种商业的s o c 功能验证产品；第三章在s o c 验证方法学的 基础上，给出了一个s o c 功能验证自动化系统的设计方法；作为对该系统设训 方法的实践，在第四章中在u n i x 平台上，给出了一个基于c 和v e r i l o g 的实 现版本；最后是展望和结论。 本论文的主要工作是在验证方法学的基础上，提出了一个完整的功能验证 自动化系统的设计方法，并在该设计方法指导下实现了m c u 的功能验证自动 化系统。其中该设计方法较好的解决了s o c 功能验证中面临的关键问题，而根 据该设计方法实现的验证自动化系统极大的提高了s o c 和i p 的验证效率。 第二章s o c 功能验证方法学 在绪论中已经提到，设计复杂度的增加会导致验证难度的增加。实际的情 况是，设计任务随着复杂度呈线性增民时，验证所需的努力( v e r i f i c a t i o ne f f o r t ) 是指数倍增长的，见表2 1 。 表2 1 验证复杂度与设计规模的增长的关系 从表中可以看到，复杂芯片都包含了多个功能模块、处理器、总线协议和 接口等，为了完成这样一个产品的验证，不仅仅要考虑外部端口的组合，需要 考虑各个功能模块间的相互操作和所有的操作模式1 刚。这就说明在大规模的集 成电路设计中，采用穷举法来进行验证是不可行的，因此在基于事务的验证重 用方法学的基础上，还必须研究复杂芯片的验证策略问题。 2 1 典型的s o c 系统 由于s o c 具有非常高的复杂性，不可能全部由一家公司来完成所有的设计， 所以现在的s o c 一般都是有大量的第三方i p 模块集成的。一个典型的s o c 系 统至少应该包括以下部分1 1 5 j ： 一个嵌入式处理器核及其存储子系统； i p 核之间的数据通路( 片上总线体系结构) ； 外部存储器的存储控制器； 通讯控制器； 通用j 0 端口； 外设功能模块f a d c 、u a r t 、u s b 等) ； 图2 1 给出了基于嵌入式处理器核的s o c 结构框图。典型的s o c 体系结构 采用了层次化的片上总线( o c b ，o n c h i pb u s ) 结构，采用这样的体系结构会 带来两个方面的好处。首先通过定义标准的总线接1 ：3 ，有助于s o c 象p c 机系 统那样实现真正意义的“混合和适配( m i x & m a t c h ) ”：其次，层次化片上总线 的每个总线都有它自己的特性，可以很好地满足系统内不同功能模块的集成需 求。高速的处理单元和低速的功能模块分别连接在不同的总线上，从而提高s o c 的整体性能。 图2 一is o c 结构模型 典型的片上总线体系结构可以分成了两层：系统总线( s y s t e mb u s ) 和外 设总线( p e r i p h e r a lb u s ) 。其中，系统总线主要用于连接多个处理单元( c p u 、 d s p 、f p u 等) 以及高带宽( h i g hb a n d w i d t h ) 的从设备( 片上存储器、l c d 等) ，构成s o c 的主干。而外设总线则用于连接些优先权较低或是带宽受到 限制的从设备 3 6 , 3 7 。这样的一些功能模块也被称之为外设( p e r i p h e r a l ) ，它们 通常在系统中用于实现具体的应用功能，如u a r t 、i n t c 等。与系统总线相比， 外设总线更加独立于具体的处理器核，且信号协议更加简单。通过类似这样的 层次化总线结构，使得s o c 得以延续p c b 板的优良性能，可以设计出高速的 s o c 芯片。 当然，真实的s o c 体系结构要复杂的多，通常会包括多个微处理器，d s p 核，以及多个i p 接口。s o c 的存储结构也要复杂的多，包括了多级的缓存，还 可能包括特定数据格式的编解码器。所以图2 1 所示的只能说是一个s o c 结构 的最小化版本，但同时也是一个典型的系统结构。接下来我们将基于这个典型 的s o c 体系结构，来说明日前s o c 设计方法的发展，和相应的验证策略。 2 2s o c 功能验证方法 传统的设计方法学是一种白顶向下的开发方式，是一个从规范编写开始到 系统集成和验汪结束的迭代过程，如图2 - 2 所示1 。 d e s i g ns i g n o f f 幽2 2 臼 负向p 的驶计和验证万法 基于i p 重用的s o c 设计流程主要包括以下步骤： 1 为要设计的系统和子系统编写系统规范； 2 根据系统规范制定验证计划( v e r i f i c a t i o np l a n ) ； 3 利用i p 库，进行系统级设计； 4 开发系统级测试平台( t e s t b e n c h ) ，进行系统级验证： 5 软硬件划分，对硬件部分用h d l 描述，进行r t l 级的功能验证； 6 进行逻辑综合，并对综合后生成的网表进行门级验证； 一， 7 芯片的物理设计，进行时序验证、物理验证和：芯片测试； 其中基于事务的验证方法学可以使用在系统验证、功能验证和门级验证中， 而随着设计复杂度的不断增加和产品的面市时间的缩短，这种自项向下的设计 与验证方法就缺乏灵活性，该方法总是假定为底层的模块编写的规范能够被设 计和实现。那么如果出现了不能实现的情况，就不得不重复编写系统规范的过 程，降低了设计的效率。因此，目前的s o c 开发过程中，采用的是“自顶向下” 和“自低向上”相结合的丌发方式。在定义系统和模块设计规范的过程中，就 开始设计关键的模块，可重用的i p 库就能够帮助实现这种方法。如果一个i p 库中的i p 种类齐全的话，完全可以使用i p 模块自低向上的构建整个系统。采 用这种混合方式开发s o c ，其功能验证策略就应该采用“自顶向下”和“自低 向上”的混合方法。所谓“自低向上”即首先在模块级的验证中获得较高的功 能覆盖率，然后在系统级验证i p 问的互连和边界行为，这种方法可以将问题局 部化，从而更容易定位错误。可以将这种验证方法划分成为四个模式( m o d e 0 - - m o d e1 ) ： m o d e0 ：验证s o c 中节点( i p 模块) 作为独立功能单元的正确性； m o d e1 ：验证i p 间接口的正确性，先后从事务级和数据内容上加以 验证： m o d e2 ：在全芯片级别上运行一组复杂度逐渐提高的应用程序； m o d e3 ：