（电路与系统专业论文）基于数字IP的SoC设计验证方法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

a b s t r a c t w i t h凌e & v e l o p 玳e 畦 o f i n t e g f a 托de i f c u 矗g e )m a n u 鑫c 加埠 懈c h n o l o g ya n dt h ec o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 yi nh i 曲s p e e d ，s o cd e s i g ni s b c c o m l n gm ep 隅c t l c a l 蝴di m p o 栅tt c c h n o l o g y 辆t h ei n d u s t 搿，w h i c h w a so n l yf _ e s e a 融l e di nt ki a bl a s ty 黻f s ，1 融ev e r 漩c a t i o no ft h ed e s i g | l 心s u i tb e c o m e sar e s t r i c t i o nb o t t l e n e c kf o rc i r c u hd e s i g nb e c a u s eo fi t s g 鼯谨i n g 羲挂g es e a l 嚣f 疆k l i 掰，v e d 蠡e 融i o 珏氧璩e 鑫f s s 芏e pd 娃f i n g 谯ee i 孵u l v e 6 c a t i o n ，s 0hi se s p e c i a l l yi m p o r t a n t b e c a u s e 氆es e a l eo f t h es o ci sm h e hl a 瞥f 攮鑫nt h eo 氆e r s ，i t ，sv e f y d i f n c u l tt ov e r i 移i ta sas i n g i em o d u l ew c ht h et e “n o i o g yo fs i m u l a t i o n w h i c hb a s e so nt h et e s tv e c t o r a n db e s i d e s ，s o cd e s i g n e r so r e nd e c r e a s e h ed e v e l o p m e n tt i m eb ya d o p 畦n go t h 钟sm o d u l e si n t o 幽e 打o w n ，a n d t h e ys e i d o mk n o w t h ed e t 嚣i i e di n t r o d u c t i o no ft h em o d u i ei n n e r e o n e o p t l o n ，确i c hh a sa l s ob l 奄毽g h l 挂0 把d i 鞭e 珏l l i e s o | h es o cd e s i g 鑫 、 e d n c a t i o n a c c o r d i 聃gt ot h e s eq u e s t i o n s ，t h ev e 秭蠡c a t l o no ft h es 0 ed i g i t a l s y s t e mi sd i s c u s s e di nt h sd i s s e r t a t i o n p a 刚t i o n i n gt h ev e r i f i c 毗i o ni n t o d i 腧r e n tl e v e i si sa d o p t e d a n dm o d e lc h e c k i n gw h i c ho n eo ft h ef o 耵n a l v e 蛀曩e a l o n m e 出口d o l e 喀l e si s u s e di n h e | n o d 毽l ee h e e k 。t h ed e s l g n m o d u i ei sm o d e l e di n t ot h em e a i yf s ma m e rt h a nt h ek r i p k es ”u c t u r e ，i n w h l e hv a f l a 翻o sc 鞠b e 谢s 宅l n g h l 鼎e da n dl n f o m 谊t i o na m o 薅gm o d h l e s 渤 b eg o t b yt h i sw a y ，s o m eq u e s t i o n si nt h es o cd i g i t a ls y s t e md e s i g n v e r 谢c a t i o na r 。r e s o l v e d m o r e o v e b yp a ；t i o n i n gt h ed 谗i t a ls y s t e mi n t o s e v e r a lp a r 主s ，a n d 出es y s t e ms p e c n c a l i o n si n t om o d u i e s ，t h ev e 一是c a t i o n s c a i ei s m i n i s h e d ，t h ec r e d i b i i i t y o ft h ev e r m c a t i o ni s a c c o r d i n g i y i n e 托韪s c d 。 l nc o n c l u s i o nb a s e do nm a n ya n a 妙s i sa n ds t u d y an e wm 跳o df o r t b es o c d 谤l t a ls y s t e md e s i g n v o r 涵e a t i o ni s p u t南删， a n d i m p j e m e n 诅t i o nt e c h n o i o g i e sa r ei n t r o d u c e di nt l ed i s s e n a t i o n t h i sw i l l b eag o o d 如n d a m e n t a lo fs t u d yo np r o b i e m so ft h es o cd e s i g n 2 v ( 施c a t i o n k e y w o r d s ：s o cd i g i t a ls y s t e m 、d e s i g nv e n c a t i o n 、f o n i l a iv e r i n c a t i o n 、b d d 、m d d 、 c t l 、m o d u l em o d e lc h e c k m g 北京交通大学硕士学位论文绪论 ( 3 ) 灰箱验证。指在完全了解d u v 内部细节情况下编写的黑箱 验 芷方法，这种方法部分馒用了d u v 蠹郄数实瑷售息，爨毒针对瞧， 但也可能与另一种实现的设计骏证不对应。 猩很多情况下需要采用黑箱验诳方式。这样可以独立设计d u v 豹验涯方寰窝实现方案，实现方案的改变并不影响验迁方案，即哥鞋 在设计实现的修改过程中不断羹复进行验证，节省设计验证方案所花 赞的精力，以倭子更快、疑容翁地我出和修改b u g ，提高效率。但韪， 摄难实现完全蛾黑簇验证。这是由予菜魑规范本雯就是与设诗有关 的。从理论上，可以建立表示所有可能实现的验证模型，但一般不现 嶷。铡如，验证处理器中设计中的中断箍理，在不知道实现处理器的 微双续梅的慷境下，缀难拱述审叛发生时的处理爨行为。两基辍过予 依赖设计的具体实现，设计稍加修改验证方案就必须跟随修改，用 在验疆方案重复浚计主的精力会穰多，不和予快速发现和修改b u g 。 但正熙由予自鼹验迁与设计实现内部紧密相关，因聪可以设计出钟瓣 凝体实现的最有效的验证方案，通常用于特殊情况的验证。在实际中 鬻采鲻折衷的方法，却获稽验证，邵验_ 【正方案大部分厢黑箱方式产生， 弼一些特殊憾撼用d u v 内酆细节作必验 正方寨产生的姣耀。 1 3 论文磷究购主要内容及安排 横据数字 c 发溪及设铸验证技术发糯豹麓势，车文将重点研究 豁予数字i p 的s o c 数字累统设谜验 正目题，采用分级骏涯的方法， 旗于形式验证的基本源理，根据s o c 数字系统设计的特点，提出了通 予s o e 数字系统的模块模爱捡粪方法， 变蕤受逡予s o c 数字系统数字 系统的验证。 其体的研究内容如下： ( 1 ) 校据s o c 数字系统设计的特点，分析葵对验涯据i 彗静要求， 提出适合s o c 数字系统数字系统验证的基于形式验证褥分级验证方 法。 ( 2 ) 锋对s o e 数字系统系绞广泛采麓第三方 p 的蒋点，对其数 字模块的建模方法进行改进，以使其更适于在s o c 数字系统系统中对 各模块进行并行、协调的验证。 。 ( 3 ) 辍据本文提出静建模、数字模琰捡查算法，爱c 语肖建立 北京交通大学硕士学位论文绪论 一个模块模型检查系统以实现相应的过程并针对具体的实例检查该 过程，分析所建系统的特性。 全文各章内容的安排如下： 第1 章概述讲述了课题的选题背景及意义对课题中用到的一 些基本理论进行综述，介绍了论文的研究内容及章节安排。 第2 章s o c 数字系统的设计验证方法分析了s o c 数字系统设计 的技术特点，讨论了s o c 数字系统设计验证存在的问题及较好的解决 方法。 第3 章形式验证理论模型分析在介绍了形式验证的基本原理、 形式验证过程中常用的逻辑行为、逻辑模型表示技术的基础上，着重 说明了模型检查算法，讨论了s o c 数字系统设计验证中采用形式化验 证方法的必要性。另外，简述了几种常用形式验证t 具的特点。 第4 章模块模型检查方法研究对s o c 数字系统设计验证中的模 块验证的模块建模技术及验证方法进行讨论。 第5 章模块模型检查的实现介绍了模块验证的具体实现方法。 北京交通大学硕士学位论文s o c 敦警系统设计验证方法研究 第2 章s o c 数字系统设计验证方法研究 s o c 设计的目标是为了克服多芯片集成系统所产生的一然系 统性能提升同题，通过嵌入式系统为核心，提裔：薛片集成的系统功 能以获彳辱更高的系统性能。 s o e 芯片的设计怒十分复杂的，不仪器考虑芯片f p 核的系统 构成、软硬件协同设计、不同工艺的综合等问题，还要考虑在设计 过程中t 如何实现对：蒜片的模拟验证以及设计成劝后针对该芯片仿 真装置的实现，从而促进历设计系统芯片的迅速推广。 随着对芯片功能不断增强的需求，s o c 设计方法带来了新的挑 战，这种新的挑战之一就是缨求提供快速寄效验 正方法秘技术。戬 往复杂系统的童要部分，在s o c 技术支持下，完企由一块集成电路 ：黪片所代替。s o c 器件的功能越来越多，爨l 孛结槐越来越复杂，电 路规模越来越大。为了保证器件设计的正确性，缩短器件设计开发 用期，骏证技术是 s 裳关键的一臻。 2 1s o c 芯片技术特点 随销半导体工艺技术的不断进步，：搂片的设计规模越来越大， 特鄹是避入o ，1 8 徽米戳后，汉经可以在一个芯片上实现一亿个门的 设计规模。这样规模的电路完全可以将一个完整的电子系统在单个 的：薛片上来实现，予怒使出蕊了所谓的系统芯片( s o c ) ，并成为 l c 产业界广泛关注的焦点，足未来集成电路的发展趋势。 系统芯片怒指在革一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处 理和l o 等功能，或者说谯单一醚芯片上集成了数字电路、模拟 电路、倍号采集和转换电路、存储器、m p u 、m c u 、d s p 、m p e g 等，实现一个系统的功能。岛普通l c 不周，具各如下特性的集成电 路芯片可以称为s o c j 这些特性是： 1 ) 实现复杂系统功能的v l s l ： 2 ) 采用超深亚微米工艺技术： 北京交通大学硕士学位论文s o c 数字系统设计验证方法研究图2 1 各验证之间的关系【1 2 三方面验证的协调 无论采用何种多级或多模块验证技术，各验证之间的协调是实 现系统验证、提高验证自动化程度的关键。根据本课题组的验证思 想，需要研究系统功能验证和系统模块验证互连结构验证之间的协调、系统模块互连结构验证和模块状态转移关系之间的协调。 一、系统功能验证和系统模块互连结构验证问的协调 根据本文的筘玛器錾j 是再设计中诺巍豁誊蓉矗彰引爹螽裂纠翱 雅群拘菲稔越计拍! 设盐也豆理羔镯壤鼙嘎磁曜臻暖绺峰乌藩垣瞄 酯釉豇力韩蟹j 囊蕈笠集签现任何辜本霉蠼静酬好洋抱翳孙譬是n 嬲酣靶孽j 硷膳矍奢国葡灌隧葫姐甄y 射鲫略鸥溯驾誊斟争，基 五到剡掣刭矗氡剥e 孤毫嚏遗甥丝鲳；世群嚣锚籀不设讦速狂咀穆 制篓魁氡髫 = r 霉j 越 整个设计流程的瓶 颈，给提高设计生产率造成了障碍。正基于此，本文着重研究设计s o c 数字系统验证中的功能验证技术。 图i _ 3 错误发现的时间和纠正错误所损耗的资源的关系图【3 l 】 三、验证的基本原理 对于验证系统而言逻辑设计只是被验证对象，称为d u v ( d e s i g n u nd e rv e r m c a t i o n ) 。如果将d u v 看作是一个箱子，那么根据验证系统 对箱中内容知道的多少，可以将验证分为黑箱验证、白箱验证和灰箱 验证 2 1 】。 ( 1) 黑箱验证。指不了解d u v 内部结构和实现方法的验证验 证过程中缺乏d u v 内部的可见性和可控性，即使找到了b u g 也很确 定bu g 的产生根源。这种验证方法与设计实现方式无关。 北京交通太举硕士学位论文 形式验证理论模型分析 第3 奄形式验证理论模型分析 3 1 形式验证的基本原理 形式验证属予计算擞科学中形式方法静瘦爰。一般来说，形式 化方法是县有形式语义的记号和工具来明确地表述所要设计的计 算枧系统的设计要求，鄹鲶出系绞援范( s p e c 菠c 戳i o n ) ，并棂据系 统规范利用上述记号和工具对系统具有的性质和最终实现的正确 中土进行严格的证明。 数学在形式方法中扮演重要鸯皇角色，提供了对设计豹精确描述 桉概念性结构，通过对基于设计的计算可以预测设计实现的行为。 焱形式方法孛蠖舔熬数学穗为数学逻辑，翔逻粪方式生袋形式表黎 和结构，拭计算是基于推导的计算。形式方法中基于数学的表示就 称必形式瓣范语富，概念上熬逻瓣缝捡撼供了对旋示魄糖确解释， 例如。解释规范在内部是一致的、一个规范满足另一个规范或者一 个规范实现另一个规范是什么含义。对形式规范的计算就怒检查规 范之海籀磊关系豁计算，鞠证弼个甄范嶷现或满足努一个规范。 这种对形式规范假定定理的证明过程就称为形式验证。 澎式纯方法豹主要袋突对象鬣诗棼掇繇绫夔设诗帮骏涯。这受 的计算机系统可以是硬件系统、软件系统、嵌入式( e m b e d d e d s y s t e m ) 系统、分布式( d l s t r ；b u l e ds y s l e m ) 系统、实l f 重系统 ( r e a - t i m es y s t e m ) 、反应式系统( r e a c t i v es y s t e m ) 、混合系统 ( h y b r i ds y s t e m ) 镍等。形式化方法的最主耍目的是帮助工程师誊 造芷确、霹靠酾稳定豹计算枫系统。 形式化硬件验证是将形式验_ l 芷应用到硬件验证过程中，以下不 佟特殊漠骥，形式验涯舔谯表形式纯疆 孛验涯。 形式验证根本特点是利用数学证明的方法，而数学证明要在一 个形式系统中媛其毒明确语义的数学语富精确丽突全她撼述或定 义硬件系统并进行必要的演算。形式语言自勺语义可以分为“操作型 语义”、“搬称型语义”和“公理化语义”。操作型语义按照状态机 j 京交通大学磋士学位论文澎式瓣证理论模型分析 的动作对语句进行解释；指称型语义引入一种抽象模型，在这个模 型下把语句看作将一个状态变换为妫一个状态的函数；猩程序设计 的语言中，公溅化语义是指将谓词演算的公式与程序关联起来。从 数学的观念上说，这只不过使不属予系统他的语言变换劂系统纯豹 语言，恧矮毒搿缀送霉语法上靛捺黪。 通过图3 1 可以看出形式诧硬件验证的过程为： 首先，从对逻辑系统的设计耍求开始。一方面根据设计要求用 规范语言编写出设计规范；另一方面，根据设计要求进行设计实现 的描述。设计的描述方式有多种，如有行为描述与结构描述之分、 r ，与门级撼透之分、语言搐述( 螺菇级语言或) l 撼述) 和电 潞蚕赣入臻逡之分等。在实甄豹撰述中缓难饔确区分竣诗考使蘑兹 描述方式，设计者往往会根据所设计的系统的复杂稷魔，对系统各 部份采用不同的描述方式，因此目前在e d a 设计工具的支持下， 基本上处于混禽形式描述阶段。但是，无论采用哪种设计实现描述 方式，要进行彤式验证，必须根据模型进行，这是计算机作为辅助 设计和验证工佟豹基本要求。 图3 1 形式化验证的过程【3 】 一般来讲，形式描述的基本步骤是从电路的行为或缩构描述开 始。其中，结构描述必须转化为形式逻辑的描述，以便利用形式化 迁骥技术。与、域、菲等逻辑门的行为可啦壹接髑逻辑袭达式接述， 宅髓之蠢夔连线必栽取逻辑“囊”器“缓”嚣令僮。翔慕符兔搐述 已经是逻辑表达式则不必再进行转换。但是在一般情况下，行为描 述是用另一种诺言描述的。因此为了进行证明，必须将这些描述翻 北京交i 瞰大学硕士学位论文形式骚证理论模型分析 译为逻辑接逑。最爱透过影式验谖程痔瓣准冬鼢麴掇莲逻辑裙设计 逻辑进行对照检查，确定设计是否正确。如果正确。回答y e s ，如 暴不委德，翻答。在莱些特瑟下，霹戆褥不到磁韬豹嚣餐，熨 回答d o n t k n o w 。根据设计规范和实现模型所在的层次不同，检查 算法惑不鞠麓。 3 2 将形式验证应用于s o c 数字系统设计验证 设计验诞是指根据硬馋设计瓣逻辑炭示进嚣验避，去捧蔟物理 部分( 如时序和面积等) ，研究硬件设计是否磁确实现其规范或等 效，设计实现是否逻辑地表示了援范等阅题。设计验 委包拯堙能验 证和逻辑验证，功能验证通过验证模型满足规范来建立理想参考模 型，逻耄霉验逶只是涎明设诗实瑷等效予瑷想参考摸型【2 2 l 。 目前使用的设计验证方法主鼹有两种：仿真和形式验i 正。 3 ，3 1 对仿真验证方法的分析 仿真是指仿照d u v 送行的实际情况，在彷真软件的支持下， 在d u v 模型的输入端施加多组测试矢盛信号，经过仿真软件的分 析计算，得到理想情况下的中闯缩聚和输出结聚。然搿再对这些 结果进行分耄蓐，判断在对_ 陂的测试激励“f ，输出结果怒否芷磁，从 而褥出d u v 是否存在b u g 的结论。在实际验诚工作中，一般采用 由t e s t b e n c h 和d u v ( d e s l g nu n d e fv e r l f l c a t l o 垮组成媳仿真验证体 系，如图3 2 所示。 黧3 2 仿真骏证基本原理 仿真验证包括主腰三个环节：难成测试矢量作为d u v 的激励， 北京交通火学硕士学位论文 膨式验证理论模型分析 000o 1 0 o 00 o01 oo 0 0 1 1t 0100 o o1o10 o1t oo o1to 0 00o 000 10 0 0 1o，1o 11oo1 1010 1100 1 111 轴) 两位比较器的真值袋表示( b ) 两位比较器的哝示 y = 尊，6 ；呜热vq 龟乓趣v 毡盎嘎岛vq 盎g 盎 ( e ) 两位比较器鲍折敬范式 j ，= 0 i v 6 i v 目2 v 6 2 ) ( 口i v v 岛v 屯) ( 口lv6 lv 岛v 幼“qv 白v qv ( d ) 两位 e 较器的台取范式 蚕3 4 秀傻魄较器的霾手孛表示方法 一、_ 二叉判定树与布尔黼数f 1 9 ，2 0 】 我们用斗”表示或t 垂算，寝示“与运算，“0 嵌示屏或” 运算，用符号“o 崧示“同或，耀箅即“o ”的补，用“”、”兀” 表示布尔和、布尔积，域乐逻辑补。这些运辫都是布尔函数以 及毒尔壤o u 露l 上豹运算。 定义3 - l ( 疆裁交量) 给定一个n 个交量豹布尔黼数，编，l 毛) ， 把变爨一赋值为k ( o 或1 ) 所得到珀勺结果称为f 葭变鬣蕾处的限制，记 为，f 。，称而为限制变量。 定义3 ( 香农展开) 一个卅、变量的布尔函数f 穗变量蕾处可表 一 示为：= x ，i 。+ 。+ 耳，k 称上残菇避鼗癌变量瓣霉农震拜把变璧穗为 熬分簿变 量。称，| 。为关于葺豹受传闵子，焉猿，。；为芙予豹正箨因 北京交通大学硕士学位论文形式验证理论模型分析 定义3 - 7 ( 顶层变量) 一个函数f 的顶层变量是指与函数根节点 相关的变量。 根据s h a r u l o n 展开式可以递归地计算一个函数地真值。下面的 递归公式用来计算b d d 表示的f ，g ，h 的j t e ( f ，g ，h ) 值。设z = i t e ，g ，h 沮v 是f ，g ，h 的顶层变量。那么： z2 v z ，+ 磁 = v ( 粥+ 册) ，+ 双彤+ 册) ， = v 眠q + e 风) ，+ 可( f 届+ s 珥) ， = 坂v ，f 把( e ，q ，风) ，加( 辱，g ，风) ) 递归终止的条件是： f 把( 1 ，f ，g ) = f ，c ( f ，l ，0 ) = f ； ，把( f ，g ，g ) = g ； 假设f = a + b ，g = a c ，h - b 州：f 把( f ，g ，日) = 口c + 石励。图3 7 是f ，g ，h 和征，g ，h ) 的b d d 表示。变量的次序为a b c d 。盈 x 托索交通大学硕士学位谂文形式验证理论模型分析 3 4 逻辑行为的形式表示技术一c t l 在本节中，我们描述一种逻辑来详细说明状态转换系统的属 墼。这种逻辑鼹骧予命题秘毒乐连接德，捌熟辑取，台取，敬菲等， 来构建描述状态的属性的复杂的表达式。 、分支时序逻辑的定义 2 】 分支辩序逻辑c 下l 是由e r n l s o n 和e c i a r ；( e 在1 9 7 9 年首先 提出的一种时态逻辑，当时用于表示程序的时态性质。在分支时序 逻辑串，露窝结梭怒一稳戈限褪缭稳。舞中每条路径主静镣个节煮 都与自然数由一一对应的获系，允许一个节点有无限多个后继节 点，同时要求每个节点至少有一个艇继，这秘封橱缝构拣为k 西p k e 结构。k 邯k e 结构建一种数学结构，它实际上是状态迁移圈的一种 变形，利用它可以严格地定义分支时序逻辑地语义。形式倪定义如 f ： 定义3 8 ( k r j p k e 结构) 是一个五元组k = ， 其审： s 是状态的有限集合： 是s 是初始状态集会； r s s 是转移关系； a p 是所有原予命题和它们的疆定命题的集合： 三：s 0 2 ”是栋记瑟数，该函数把获悉# s 淤甜为在s 中为 真的原子命题题集含，该集合足a p 的一个子集。 胃鞋撼k 看残存标记瓣、蠢壤豹有囊躅。图粒绩煮集会为s ， 边的集合为r ，结点的标记为l ，根为恿。 一个c t 乙公式由两部分梭成，一部分是路径爨词a ( 对于爨 有的路径) ，e ( 存在某个路径) ：另一部分怒时态运算符g i o b a d 。 f ( f u t u r e ) ，x ( n e x t ) ，u ( l 肺啦。它们的直观含义如下： ( 1 ) f 婚 卖作“垂农将来韵菜个获态成立”) 对于莱个路径 为舆，如果在该路径的某个状态，中为真。 ( 2 g 套( 读露“零全局上为粪”) 对予一条魏径为囊，翅票 在该路径的每个状态中部为真。 北京交通大学硕士学位论文形式验证理论模型分析 ( 3 ) x 中( 读作“中在下一个状态为真”) 对于某个路径为真， 如果中在该路径的当前状态的下一个状态为真。 ( 4 ) 中u y ( 读作“中成立直到、壬r 成立”) 对于某个路径为真， 如果甲在该路径的某个状态为真，而中在这个状态以前的所有状 态都为真。 定义3 9 ( c t l 公式的语法) ( 1 ) 每个原子公式是c t l 公式； ( 2 ) 如果g 是c t l 公式，则矿、， g 、a 矽、e x f ，a ( f u 曲，e ( f u 曲是c t l 公式； ( 3 ) 只有有限次应用( 1 ) ，( 2 ) 得到的公式是c t l 公式。 其他的逻辑连接词的定义与经典逻辑相同。除由定义5 2 形成 的c t l 公式之外，在实际中经常用到其他一些c t l 公式，这些公 式可以按下列等价式得到： ，v g = ，( 可 飞) 爿- 翟= 爿( ，r 搬u g ) e 磁= e ( ，“e u g ) 爿何= 坷( ，舢u 可) e c y = “t r “p u ，) 下面我们用k r i p k e 结构解释c t l 的语义。如果对于任意i o ，1 ，2 ) ，( 一，) r ，则称无限状态序列7 r = j i ，j 2 ) 是从 状态晶开始的一条路径。 用“k ，s i = 厂”表示公式f 在结构k 的s 状态为真。在不产生 误解的情况下，”足，j ”可以简写为“5 卜，”。如果一个公式 f 在结构k 的所有状态s 品为真，称结构k 满足公式并说k 是公式f 的一个模型。 定义3 1 0 ( c t l 的语义) 用石。来表示从s 开始的一个路径丌。如果f 是一个状态公式， 则表达式m ，sj - f 表示在k r i p k e 结构m 中，f 在状态s 有效。类 似的，如果f 是一个路径公式，则m ，i = f 表示在l ( r i p k c 结构m 中，f 沿路径n 有效。当k r i p k