（电路与系统专业论文）随机指令测试在高性能嵌入式处理器开发中的应用.pdf

浙江大学硕十毕业沦文 电气学院超大规模集成电路研究所 图形目录 图1c k 5 2 0 微系统结构图 图2 静态随机指令测试的工作框图 图3 动态随机指令测试的工作框图 图4 验证过程b u g 曲线图 图5 测试回报分布图 4 。 b 船 卯 甜 浙江大学硕+ 毕业论文电气学院超大规模集成电路研究所 塞搔目丞 表格1 静态随机指令测试代码覆盖率 表格2 各种测试开销与回报比较 5 浙江大学硕士t # 业论文 电气学院超大规模集成电路研究所 摘要 随着v l s i 技术的高谜发展，工艺水平的不断提高，各种高性能的处理器不断涌现，不仪 仅是通用处理器的性能指标按摩尔级数递增，在各种应用系统中，嵌入式处理器也得到了充 分的发展。在当今信息化革命中，嵌入式处理器的作用已是不可代替，各种通讯设备、网络设 备、交通工具甚至于武器系统中都能见到它的身影。然而，嵌入式处理器的不断发展也给 它的功能验证工作带来了难题。随着嵌入式处理器的不断发展，整个嵌入式处理器验证工 作的难度则随之不断加大，几乎占到了7 0 8 0 的工作量和资源，而且还有上升的趋势。 验证工作已经成为保证高性能嵌入式处理器性能指标的一个瓶颈所在。如何在保证效果的 同时，降低验证工作的难度，减少验证在整个设计周期的比率，已经成为高性能嵌入式处理 器设计所迫切需要解决的一个问题。 为了解决这个问题，引入了随机指令测试的概念。这样一来就可以大大减轻验证工程 师在芯片验证时人为书写大量测试的负担，同时又可以减轻了人为因素在验证过程中的影 响，达到更好的测试效果。在嵌入式处理器的验证过程中，随机指令测试起到了非常重要 的作用，利用它，可以缩短处理器设计周期。 本文首先介绍了3 2 位的高性能嵌入式处理器c k 系列，接着提出了在c k 5 2 0 嵌入式 处理器开发过程中，用于功能验证的静态随机指令测试和动态随机指令测试。首先介绍两 种测试方法的基本原理和工作过程，接着也分析了它们优点和不足之处。在论文的最后， 还给出了实际的测试结果。所有的数据表明，随机测试在嵌入式处理器的功能验证中能够 起到非常有效的作用。 关键字：嵌入式处理器，静态随机指令测试，动态随机指令测试。 6 浙江大学硕十毕业i 仑文 电气学院超大规模集成电路研究所 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to f v l s id e s i g na n dt h es c a l i n go f t e c h n o l o g y ，t h en u m b e r o f h i g h p e r f o r m a n c ep r o c e s s o ri ss u r g i n g n o to n l yd o e st i l ep e r f o r m a n c eo f t h ep r o c e s s o r si ss c a l i n gu p c o m p l y i n g w i t ht h em o o r e sl a w ，b u ta l s ot h ep r o c e s s o r sa r eg e t w i d e l ya d o p t e di na l lk i n d so f a p p l i c a t i o ns y s t e m s e m b e d d e dp r o c e s s o r i sb e c o m i n g i n d i s p e n s a b l e t ot o d a y sr e v o l u t i o no f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hc a l lb ew i d e l yf o u n di na l lk i n d so fc o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t ， n e t w o r ke q u i p m e n t ，v e h i c l e s ，a n de v e nw e a p o n s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ep r o g r e s s i n go f p r o c e s s o r si sb r i n g i n gm u c ht r o u b l et ot h ep r o c e s s o r sf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n ，w h i c hn o w a d a y s c o n s u m i n gm o r e t h a n7 0 o f p r o c e s s o rd e s i g n sw o r k l o a da n dr e s o u r c e s ，a n dt h e r ei sn o i n d i c a t i o nt h ep e r c e n t a g es t o p su p r i s i n g t h e r e f o r e ，v e r i f i c a t i o ni sb e c o m i n gab o t t l e n e c kt o t o d a y sd e s i g no fh i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e dp r o c e s s o r s i th a sb e e na ne x i g e n tt a s kt or e d u c e t h ed i f f i c u l t yo ff u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n ，c u t t i n gd o w nt h er a t i oo f v e r i f i c a t i o ni nt h ew h o l e d e s i g n d u r a t i o n ，w h i l ea s s u r i n gt h ec o v e r a g eo ff u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o nw h e nd e s i g n i n gah i g h p e r f o r m a n c ep r o c e s s o r t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ec o n c e p to f r a n d o mi n s t r u c t i o nt e s t i n gh a sb e e ni n t r o d u c e d h e r e t h u sn o to n l yal o to f v e r i f i c a t i o ne n g i n e e r s b u r d e n so f h a n d w r i t i n g t e s ti sr e d u c e d ，b u t a l s ot h ei n f l u e n c eo fm a n - m a d ef a c t o ri nt h e p r o c e s so f t e s t i n g i nt h ec h e c k i n gp r o c e s so f e m b e d d e dp r o c e s s o r ，r a n d o mi n s t r u c t i o nt e s t i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l et or e d u c et h e d e s i g n p e r i o do f p r o c e s s o r t h i sp a p e ri n t r o d u c e s3 2 一b i th i g h p e r f o r m a n c ee m b e d d e d p r o c e s s o r d u r i n gt h e d e v e l o p i n g o fc k 5 2 0e m b e d d e d p r o c e s s o r ，t w om e t h o d sf o rf u n c t i o nt e s ta r ep r e s e n t e d ，s t a t i c r a n d o mi n s t r u c t i o nt e s ta n dd y n a m i cr a n d o mi n s t r u c t i o nt e s t t h ef u n d a m e n t a la n dw o r k i n g p r o c e s sa r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e i ra d v a n t a g e a n dd i s a d v a n t a g ea r ea l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r a t l a s t ，i tp r o v i d e st h er e a lt e s tr e s u l t a l lr e s u l td a t ai n d i c a t et h a tr a n d o m t e s tc a n p l a yav e r yv a l i d r o l ei nf u n c t i o nv e r i f i c a t i o no fe m b e d d e dp r o c e s s o r k e y w o r d ：e m b e d d e d p r o c e s s o r ，s t a t i cr a n d o mi n s t r u c t i o nt e s t i n g ， d y n a m i c r a n d o mi n s t r u c t i o nt e s t i n g 7 浙江大学硕十毕业论文 电气学院超大规模集成电路研究所 第一章绪论 1 1 集成电路( i n t e g r a t ec i r c u i t ) 的发展 微电予技术，电于技术和计算机技术在相互渗透，相互支撑和相互促进的紧密关系中， 均得到了飞速发展。现代信息社会的支柱一计算机和通信，其主要设备是集成电路。以集 成电路的发展为标志的微电子技术无所不在，已经成为现代信息社会的基础。 自从一九五九年世界上第一块集成电路在美国的德州仪器公司和西屋电气公司诞生以 来，集成电路技术以惊人的速度发展。第一块集成电路上只有四只晶体管，而目前的集成 电路已经可以在一片硅片上集成几千万只晶体管，甚至上亿只晶体管。集成电路的发展经 历了小规模1 c ( s s i ) ，中规模i c ( l s i ) ，超大规模i c ( v l s i ) 和特大规模i c ( u l s i ) 的不同阶段，集成电路的性能( 高集成度，高速度和低功耗等) 迅速提高。 集成电路技术的飞速发展对人类社会和人们的生活状态产生了广泛而深远的影响。集 成电路工业在国民经济中发挥着越来越重要的作用，目前超大规模集成电路己被广泛应用 于计算机、通讯、控制、测量、医学和家用等各个方面，其水平高低直接体现了一个国家 的经济发展水平和综合国力。 在过去的几十年里，集成电路技术遵循摩尔定律，平均每十八个月集成度就翻一番。 以美i n i n t e l 公司的微处理器芯片为例，芯片上的晶体管数目已经由1 9 7 1 年f 拘2 3 0 0 增长到今 天p e n t i u m4 处理器的4 2 0 0 万。就芯片的特征尺寸而言，最小线宽已经从九十年代初的0 8 微米发展到了目前的o 18 ；f h 0 ，1 3 微米。很快，9 0 t n 米制造工艺将会被运用到集成电路制造之 中。 随着微电子技术的不断进步，集成电路仍在高速发展。目前，系统级芯片( s y s t e m o i l c h i d ，s o c ) 已经能将包括数字l c 和模拟i c 的整个系统集成在单个芯片上，完成系统的功 能。s o c 的出现，使集成电路逐步向系统和集成系统( i n t e g r a t e ds y s t e m ) 的方向发展。 8 浙江大学硕+ 毕业论文 电气学院超大规模集成电路研究所 1 2 系统级芯片s o c ( s y s t e m0 1 1c h i p ) 概述 从分立元件到集成电路再到s o c ，这是微电予领域的重大革命。2 1 世纪，集成电路将 进入s o c 时代。随着半导体工艺技术的发展，i c 设计者能够将愈来愈复杂的功能集成到单 硅片上。s o c ( 片上系统) 正是在集成电路( i c ) 向集成系统0 s ) 转变的大方向下产生的。从狭 义角度讲，它是信息系统的芯片集成，是将系统集成在一块芯片上；从广义角度讲，s o c 就 是一个微小型系统，如果说中央处理器( c p u ) 是大脑，那么s o c 就是包括大脑、心脏、眼 睛和手的系统。s o c 的出现使集成电路发展成为集成系统，整个电予整机的功能将可以集 成到一块芯片中。在不久的将来，集成电路与电予整机之间的界限将被彻底打破。 s o c 就是将微处理器、模拟i p 核、数字i p 核和存储器( 或片外存储控制接口) 集成在单 一芯片上。它通常是客户定制的( c s i c ) ，或是面向特定用途的标准产n 钴( a s s p ) 。 s o c 是面向特定用户的能最大满足嵌入式系统要求的芯片，因而具有很多优势：能极 大改善功耗开销，可减少印制板上部件数和管脚数，减少板卡失效的可能性，有利于板卡 的性能改善( 由于片内连线缩短) ，降低风冷要求，减少系统开发商成本，尤其适合数字化 产品开发，如手持设备、信息家电等。 s o c 设计准入的最大门槛是专门技术、i p 库和s o c 总线架构支持，需要广泛的多功能 t p 和将客户逻辑与之集成在一起的设计艺术，以满足客户产品开发的需求。由此许多第三 方i p 供应商得到快速发展，它们的成功要么具有独一无二的且极具价值的i p ，要么具有 良好声誉的库。s o c 设计者通过重用证明了的i p ，不仅利用了最新工艺技术优势，而且减 少了开发周期和风险。 s o c 的发展离不开应用领域的需求牵引。进行片上系统设计时，首先要考虑的问题是 系统的体系结构。为了提高开发模块的重复利用率，降低开发成本，用户采用了s o c ( e , 片 内部) 总线、芯片间总线( 0 ns p l 、1 2 c 、u a r t 、并行总线) 、板卡间总线( i s a 、p c i 、v m e ) 、 设备间总线( u s b 、1 3 9 4 、r s 2 3 2 ) 。s o c 总线为用户提供了一个堪称“理想”的环境：片上系 统模块间不会面临干扰、匹配等传统问题；但是片上系统的时序要求却异常严格。 9 浙江大学硕十毕业沦文 电气学院超大规模集成电路研究所 由于o p e n c o r e 利其他致力于开放知识产权( o p e ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 组织的大力推广 ( 开发设计了大量基于标准化片上总线的免费模块) ，用户在片上系统总线的选择上更倾向 于采用那些标准化、开放化的方案。目前总线架构有很多种，包括i b m 公司的c o r e c o n n e c t 、 a r m 的a m b a 、s i l i c o r e 公司的w i s h b o n e 、m 1 p s 技术公司的s o c i t 以及c o r e f r a m 等， 以及i n t e l 公司刚刚推出的p c ie x p r e s s 总线。 s o c 的发展重点主要包括： 总线结构及互连技术，直接影响芯片总体性能发挥； 软、硬件的协同设计技术，主要解决硬件开发和软件开发同步进行问题； i p 可重用技术，如何对其进行测试和验证： 低功耗设计技术，丰要研究多电压技术、功耗管理技术以及软件低功耗利用技 术等； 可测性设计方法学，研究e j t a g 设计技术、批量生产测试问题： 超深亚微米实现技术，研究时序收敛、信号完整性、天线效应等。 s o c 的发展将不断满足日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用、多 媒体的信息处理等需求。s o c 需具备l c d 、u s b 、c a n 、m a c w l a n 或l r d a 通信接口 等，同时也需要提供相应的通信组网仂议软件和物理层驱动软件，甚至浏览器。 s o c 将满足人们以g u i 屏幕为中心的多媒体界面与信息终端交互需求，如手写文字输 入、语音拨号上网、收发电了邮件、传送彩色图形图像及语言同声翻译等。s o c 将具有 3 2 位、6 4 位r 1 s c 芯片或信号处理器d s p 等增强处理能力，同时支持嵌入式r t o s 发展， 采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计，保 障软件质量，缩短开发周期。 s o c 将引领新一代嵌入式处理器的技术发展，它是以嵌入式系统为核心，集软、硬件 于一体，并在系统集成中追求产品系统最大包容性，能成功实现多学科的协作与融合。s o c 设计技术为计算机专业人才介入1 c 设讨领域提供了个机会。不仅在s o c 芯片设计上需 。1 0 浙江大学硕十毕业沦文 电气学院超大规模集成电路研究所 要较强的计算机体系结构背景知识，而且s o c 突出了软件开发的比重，需要汁算机专业人 士的介入，需要提供良好的开发平台和嵌入式操作系统。 1 3 国内外微处理器的研究现状 3 2 位微控制器白八十年代中期飞速发展至今，已经成为具备相当规模的产业，其应用 领域几乎覆盖各行各业，具体可以分割为以下市场：( 1 ) 消费电子：数码相机，个人录影 机，g p s 系统，可视电话，高档智能卡，遥控玩具，游戏机，数字电视，手机，p d a 等； ( 2 ) 移动电脑：个人予提电脑，汽车的i n f o t a i n m e n t 系统等；( 3 ) 通讯网络：路由器，网 卡，i n t e m e t ) 务器：( 4 ) 办公自动化：打印机，复印机，网络电脑，扫描仪等。 而由于3 2 位微控制器设计技术复杂，国内企业的3 2 位微控制器设计大多数处于初始阶 段，在产品的性能，开发效率、标准化、规范化等方面均与国外有很大差距，因此，3 2 位 微控制器核心的设计和基于i p 的s o c 设计方法已经成为我国信息产业发展的核心。 高性f i c p u 的设计技术是集成电路设计中难度最大的领域，研究起点很高，对前期工 作的积累要求也很高，涉及的知识领域涵盖集成电路设计、计算机系统结构、设计自动化 工具、半导体工艺、计算机操作系统和电子信息领域的应用等多种热门的高技术知识领域。 整个世界上在该领域从事相关工作的设计人员数目不多，大量的关键技术被西方国家特别 是美国和英国的设计公司所垄断。 1 4 超大规模集成电路设计流程 传统的超大规模集成电路的设计流程一般分为前端设计和后端设计两大块，其中前端 设计主要完成以下任务： ( 1 ) 行为级描述 在完成系统性能分析与功能划分的基础上，对于各个电路功能模块，用h d l 语言完 成行为级( b e h a v i o rl e v e l ) 描述。 。1 1 浙江大学硕十毕业沦文 电气学院超大规模集成电路研究所 ( 2 ) 行为级优化与rr 1 1 l 级描述的转化 对上一步中完成的描述进行行为级算法优化与功能仿真。行为级算法优化的目标是选 择最优的算法实现方法，行为级仿真的目的足为了验证给定的行为级描述是否能够实现所 需的功能。由于现有的e d a 工具只能接受r t l ( r e g i s t e r t r a n s p o r tl e v e l ) 级描述的h d l 文件进行自动逻辑综合，因此在进行行为级优化的同时，通常需要完成向r t l 级描述的转 化。 ( 3 ) 选定工艺库，确定约束条件，完成逻辑综合与逻辑优化 逻辑综合与逻辑优化的目标是将前面得到的r t l 级h d l 代码映射到具体的工艺上加 以实现。 ( 4 ) 门级仿真 进行包含门单元延时信息的仿真。 ( 5 ) 测试生成 完成逻辑综合后，可产生相应的网表文件( n e t l i s t ) ，但在将设计提交给后端进行布 局布线时，同时应当提供相应的测试文件。 后端设计可分为四个步骤： ( 6 ) 布局布线 这一步是借助于版图综合的自动布局布线工具，在对应工艺的版图库支持下完成的。 ( 7 ) 参数提取 在前面完成逻辑综合所产生的门级网表文件中，已经包含了门级单元本身的工艺参数， 完成版图综合后，由于布局布线都已确定，可以从版图进一步提取出连线电阻、连线电容 等分布参数。 ( 8 ) 后仿真 1 2 。 浙江大学硕十毕业论文 电气学院超大规模集成电路研究所 后仿真就是将上一步中提取的分布参数再反标到原来的门级网表中，进行包含门延、 连线时延的门级仿真。 ( 9 ) 制版，流片 在利用e d a 工具完成设计后，就可交付半导体厂商进行投片生产。 1 3 浙江大学硕十毕业论文 电气学院超大规模集成电路研究所 第二章高性能低功耗嵌入式处理器c c o r e 系列介绍 2 1 僻c o r e 简绍 3 2 位高性能c , c o r e 是一款高性能、低功耗、低成本的嵌入式c p u 。它建立在3 2 位数据， 1 6 位指令的r i s c 体系结构上，同时具备简单d s p 运算能力。其指令集结构充分体现了高 性能和低功耗的特点。c , c o r e 提供软件控制系统配置的功能，在系统控制寄存器组中设置 控制位，配置c p u 的功能组件，如高速缓存和高效的指令转移预测，大大增强了系统的灵 活性。c , c o r e 提供了丰富的中断资源，支持两种中断优先级。c , c o r e 充分适用于嵌入式控 制系统和电池供电的便携式产品等应用领域。 c , c o r e 的指令集兼容于m o c o r o i & 公司的m c o r e 微处理器。m c o r e 的设计始于九十年 代中期，在研究了多种流行的r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构诸如 m i p s 、a r m 等之后，m o t o r o l a 公司提出了一种s o c 系统设计使用的先进的r i s c 结构，它采 用的3 2 位数据通路及1 6 位指令可以大大降低对存储器容量的需求。浙江大学、杭州中天 微系统有限公司、苏州国芯和清华大学等单位合作对0 3 5 u mc m o s 工艺3 3 m h z 时钟频率的 第一代m c o r e 进行详细的研究分析，在此基础上，改进了指令系统与体系结构，研制出新 的低功耗、高性能、低成本c , c o r e 的智权芯核。c , c o r e 将对m c o r e 的体系结构进行根本 上的改动，为了提高性能，c , c o r e 将拥有指令缓存和数据缓存，而且流水线将由m - c o r e 的四级变成七级。这些变化会使c , c o r e 性能大大超过m , c o r e 。c , c o r e 将采用0 1 s u m c m o s 工艺，运行频率将达到2 0 0 m h z c , c o r e 潜在的s o c 应用领域有： 多媒体类：视频监控，v o d ，机顶盒等； 固定通讯类：路由器，家庭网关等： 信息安全类：加密网络，商用金融设备等； 移动通讯：手机，小灵通等： 移动网络：无线接入，无线网卡等； 便携式产品：p d a ，移动计算等； 1 4 浙江大学硕士毕业论文 电气学院超大规模集成电路研究所 2 2c k 5 2 0 微结构介绍 c k 5 2 0 划分为取指单元l i u 整数单元l u 、存取单元l s u 、乘除处理单元m a d 、处理器 控制单元c p o 、总线接口单元b u 、硬件调试单元h a d 和存储器保护单元m g u 。 图1c k 5 2 0 微系统结构图 i f u ( i n s t r u c t i o nu n i t ) 负责指令提取、指令的预译码、跳转指令处理等等。它覆盖了 流水线的前两级i f 和i s 。 i u ( i n t e g e ru n i t ) 负责指令译码、指令发射、部分指令的执行、指令退休和异常 处理。它覆盖了流水线的r f 利e x 阶段。 l s u ( l o a ds t o r eu n i t ) 负责数据访问，处理l o a d 和s t o r e 指令。它覆盖了流水 线的d f 和d s 。 m a d ( m u l t i p e ra n dd i v i d e ru n i t ) 处理乘法、除法等指令。 c p o 负责c k 5 2 0 的状态控制，并处理特权指令。 1 5 浙江大学硕十牛业论文 电气学院超大规模集成电路研究所 b i u ( b u si n t e r f a c e u n i t ) 处理指令和数据的外部访问操作。 h a d ( h a r d w a r ea s s i s t e du n i t ) 用于硬件调试。 m g u ( m e m o r eg u jd eu n i t ) 负责存储器的保护。 下面具体介绍它们的微结构。 2 2 1 取指单元( i f u ) 指令预取单元处殚流水线上的i f 和i s 两个阶段。指令预取单元的主要任务是取指， 经过预处理后发送给流水线后端。支持c a c h e 利指令转移预测模块的使能，使得软件控制 硬件结构，增强了c p u 的灵活性。 2 2 2 整数单元( i u ) 整数单元i u ( i n t e g e ru n i t ) 主要负责指令译码、指令发射、跳转预测检查、建立 旁路、指令执行、指令退休和异常处理。它覆盖了c k 5 2 0 流水线的r f 和e x 阶段。 2 2 3 存取单元( l s u ) 存取单元负责内存数据的存取，它覆盖c k 5 2 0 流水线上的e x ，d f ，d s 段。l s u 执行内 存读写指令和s y n c 指令，支持可配置的c a c h e 。 指令缓冲器( c i r c u l a t i o nb u f f e r ) 指令缓冲器在流水线e x 段接受由i u 发射来的指令，把它们存储在缓存器中。指令缓 冲器按照i u 发射过来的顺序再将指令发射给l s u 的其他模块执行。 控制模块( c o n t r o ll o g i c ) 控制模块对l s u 予模块的请求进行仲裁并处理数据访问相关的异常。 数据通路( d a t a p a t h ) 数据通路模块包括8 k 字节的高速缓存，负责对高速缓存进行读写和更新。 内存读写缓冲器( w r i t eb u f f e r ) 1 6 。 浙江火学硕 ：毕业论文 电气学院超大规模集成电路研究所 所有写内存指令，没有高速缓存权限的读指令要通过内存读写缓冲器执行。 高速缓存写队列( s t o r eq u e u e ) 如果写指令要更新高速缓存，这些指令要通过高速缓存写队列去写高速缓存。 高速缓存更新缓冲器( 1 。jn e f i l lb u f f e r ) 当有高速缓存权限的读指令所访问的数据没有在高速缓存中时，由高速缓存更新 缓冲器执行这些指令，并对高速缓存进行更新。 2 2 4 乘除处理单元( m a d ) c k 5 2 0 的m a ( m u l t i p l i e ra n dd i v i d e r ) 模块主要功能有 3 2 位无符号整数乘法指令的运算； 1 6 位有符号整数乘法指令的运算； 3 2 位有符号或无符号除法指令的运算； 6 4 位m a c ( m t l l t i p l ya c c u m u l a t e ) 指令的运算； 6 4 位p e r i l ( p e r m u t a t i o n 置换) 指令的运算。 其中乘法指令与m a c 指令都是三级流水线的，这将大大提高了指令执行的效率。 2 2 5 处理器控制单元( c p o ) c p o 是c k 5 2 0 的状态控制模块，它还处理一些特权指令，比如低功耗指令、异常返回 指令和其他一些改变p s r 的指令。c p o 中有很多状态控制寄存器，它们的功能如下。 处理器状态寄存器( p s r ) 存储了当前处理器状态和控制信息，包括c 位、中断屏 蔽、跟踪模式控制位( t m 1 ：0 ) 、超级用户标志位( s 位) ，以及寄存器选择控 制位( a f 位) 。 向量基址寄存器( v b r ，c r l ) 是用来保存异常向量的基址。 超级用户模式下存储寄存器( c r 2 c r 5 ) 是5 个3 2 位的超级用户模式下存储寄存器， 超级用户可以使用这些寄存器来存储数据，指针，辅助异常处理以及避免受普通用 - 1 7 浙江大学硕十毕业沦文 电气学院超大规摸集成电路研究所 户模式影响。软件确定了这些寄存器的使用的功能和内容。典型的用法是将它们中 的一个寄存器用来作为堆栈指针。所有的这些寄存器都可以通过m t c r 和m f c r 来访 问并修改其中的内容。 异常处理寄存器( c r 6 c r i o ) 是用来在异常处理时保存当前处理器执行的状态， 以便异常返回。 全状态控制寄存器( g c r ，c r l1 ，6 s i l ，c r l 2 ) 用来控制和标志外部设备和事件。 它们通过芯片口上提供的3 2 位并行接 2 1 实现指定的控制。一般来说，可以通过简单 设置g c r 来臂理功耗，设备控制，赢f - t 一安排处理以及其它的基本的功能；用户也可 以通过查看g s r 来检测外围设备状态。 高速缓存相关的状态控制寄存器。c t r 和c r l 6 是用来配置高速缓存类型的；c f r 和 c r l 7 是用来控制高速缓存fc c r 和c r l 8 用来配置内存，高速缓存有效无效，内存 保护区和e n d i a n 模式，以及系统和处理器的时钟比；c a p r $ c r l 9 用来配置哪个地址 区可咀访问以及是否可以被放置到高速缓存等等。 地址保护寄存器。m g u 是通过四个保护区来配置内存访问权限以及是否可高缓的。 保护区控制寄存器( p a c r ，c r 2 0 ) 用来指定保护的大小和起始地址。保护区选择寄 存器( p r s r ，c r 2 1 ) 用来选择哪个区进行操作。 2 2 6 总线接口单元( b i i j ) c k 5 2 0 的b i u ( b u si n t e r f a c eu n i t ) 模块的主要功能有： 响应内部模块对存储器读写的请求，通过系统总线将数据从存储器中取出送给内部 模块或将数据写入到存储器中去； 仲裁的功能，适时地将总线的控制权限交给外围设备，由其对存储器进行读写操作； 将进出c p u 的信号通过一层触发器，以使其时序较理想； 支持数据读写的突发( b u r s t ) 方式，提高了数据传输的效率，而且支持c r i t i c a l w 。r df i r s t ，使得内部模块尽早得到所需要的数据； 。 8 。 浙江大学硕士毕业沦文 电气学院超大规模集成电路研究所 支持4 种c p u 时钟和系统时钟的比例，分别是l ：1 ，2 ：1 ，4 ：1 ，8 ：l ；读、 写操作白j 以前后相连，而且来自不同模块的读写请求在总线上引起的操作也可以前 后相连，这也提高了总线传输的效率： 支持各种等待情况，这适用于延迟较大的存储器系统。 2 2 7 硬件调试单元( h a d ) h a d ( h a r d w a r ea s s i s t e dd e b u g ) 通过标准的j t a g 接口提供了外部控制器来调试 c k 5 2 0 芯片内部工作的能力，可以读写寄存器，读写内存和控制指令的执行。 h a d 电路具有以下主要功能和特征： 支持标准j t a g 接e l 办议。h a d 完全是按照i e e e l l 4 9 规范来定义和j t a g 的接口的， j t a g 时钟周期应该是处理器时钟周期的8 倍以上，串行口数据传送是从低位到高 位依次进行的。 支持两种断点方式：硬断点、软断点。硬断点，需要在调试模式下设置好匹配的次 数和方式，选择硬断点a 还是硬断点b ，设置匹配范围，设置完后，退出调试模式， 等到正常模式下硬断点计数器计值到零，处理器就会请求进入调试模式。而软断点， 就是在正常执行的指令中间插入的b k p t 指令，处理器执行了b k p t 指令后，就会请 求进入调试模式。 读写寄存器。h a d 通过n o v 指令实现对寄存器( t o r 1 5 ) 的读写。m o v 指令通过串 行口先传送到h a d 的指令寄存器i r 中，再送入流水线中去执行。w b b r 用于提供写 寄存器时的操作数或保存读出来的结果，通过串行口它的值被传给外部控制器。 读写内存。h a d 利用在调试模式下指令寄存器( i r ) 传送指令，通过执行l d ( 读) 和s t ( 写) 指令，就可以读写l 山存。 p cf i f o 。p cf i f o 记录最新的8 条跳转指令的目标地址( 正常模式下) ，进入调 试模式后，可以通过读p cf i f o 的值来追踪最新的8 条跳转指令。 支持单步调试利多步跟踪。h a d 支持单步调试和多步跟踪的方式。其中单步调试可 以在调试模式下和正常模式下进行。 ，1 9 浙江大学硕1 ：毕业论文电气学院超大规模集成电路研究所 多种进入调试模式的力案。h a d 提供了不同情况下处理器进入调试模式的不同方 案，可以在正常模式，复位模式，低功耗模式下直接进入调试模式。 现场保护。退出正常模式而进入调试模式时，c k 5 2 0 需要保存c p u 的状态( p c ，p s r ， c s r ) ，另外，通用寄存器的值( 譬如r o r 1 5 ) 也要保存起来，以便退出调试模式 时恢复现场。保存利恢复工作是由调试主机来完成的。 2 2 8 存储器保护单元( m g u ) m c - u 可以保护四个存储空间段。它提供了的功能如下 内存访问处理 在内存访问信号产生之后，m g u 会检查当前访问的地址是否在地址保护区域内：假如访 问的地址不在四个区域中的任何一个，此内存访问会中途停止；假如访问的地址在四个区 域中的一个或多个内，此访问被访问权限最高的索弓f 区所控制： 内存访问的权限设定 内存的访问权限分为用户级和超级用户级，只有超级用户权限才可以访问控制寄存 器。假如用户级的权限访问超级用户权限的区域，此内存访问会中途停止。假如访问 的地址在四个区域中的个或多个内，但是所对应的区域的访问权限设定为不可访问， 此内存访问会中途停止。 2 0 浙江大学硕十毕、论文电气学院超大规模集成电路研究所 笫三章随机指令测试在c k 5 2 0 处理器功能验证中的应用 随着v l s i 技术的高速发展，工艺水平的不断提高，各种高性能的处理器不断涌现，不仅 仅是通用处理器的性能指标按摩尔级数递增，在各种应用系统中，嵌入式处理器也得到了充 分的发展。在当今信息化革命中，嵌入式处理器的作用已是不可代替，各种通讯设备、网络设 备、交通工具甚至于武器系统中都能见到它的身影。然而，嵌入式处理器的不断发展也给 它的功能验证工作带来了难题。随着嵌入式处理器的不断发展，整个嵌入式处理器验证工 作的难度则随之不断加大，几乎占到了7 0 8 0 的工作量和资源，而且还有上升的趋势。 验证工作已经成为保证高性能嵌入式处理器性能指标的一个瓶颈所在。如何在保证效果的 同时，降低验证工作的难度，减少验证在整个设计周期的比率，已经成为高性能嵌入式处理 器设计所迫切需要解决的一个问题。 对一个数字设计而言，要测试它的功能是否完全符合要求，最直接的方法就是手写出 所有的输入激励的组合，检查在所有的激励下，输出是否正确。例如我们要测试一条加法 指令a d d ，就需要测试许多种情况，例如两个正整数相加。两个负整数相加，一个正整数 加上一个负整数，一个数加上一个非常大的正整数等情况，需要的测试向量以及比较多。 如果考虑其他的一些外部条件，例如当时流水线的状态，加法指令与其他指令的组合等情 况，测试向量急剧增长。如果考虑复杂的系统，例如一个嵌入式处理器，完全靠人来全部 指定所有的情况是不现实的。需要有其他的方法。 随机测试是在数字设计中得到广泛应用的一种测试方法，它主要利用了统计学的原理， 来产生大量的随机激励，对设计进行测试，满足功能验证的需要，利用随机测试，可以覆 盖大约8 0 的情况，大大减轻了测试工程师的工作量。 随机测试并不是真正的随机，而是伪随机。它一般依赖于一个随机数发牛器。随机数 序列的产生一般是根据一个随机数种子可预先确定和可重现的，同样的种子数比如产生一 样的随机数序列，因而是伪随机。 许多随机数发生器调用了系统提供的随机数产生函数，叫做线性序列产生算法( l c g ， l i n e r c o n g r u e n t i a lg e n e r a t i o n ) 。这种方法的优点是速度快，可咀满足很多种情况的需要， 2 1 浙江大学硕十毕业论文 电气学院超大规模集成电路研究所 c c + + $ t lp e r l 中的r a n d 函数就是利用了这种算法。缺点是随机性能很差。评价随机数产生 算法的优劣丰要有两个方面：c 1 个不重复的数的序列最i 吏有多长。 产生的数在某个 范围内的分布状况。l c g 在这两个方面的性能不够理想。现在有许多种随机数的产牛算法， 随机性能上得到了很多的改善。 根据随机测试的思想，我们在对嵌入式处理器的验证过程中引入了随机指令测试的概 念。这样一来就可以大大减轻验证工程师在芯片功能验证时人为书写大量测试的负担，同 时又可以减轻了人为因素在验证过程中的影响，达到更好的测试效果。在嵌入式处理器的 验证过程中，随机指令测试起到了非常重要的作用，可以缩短处理器的开发周期。 在c k 5 2 0 的验证过程中，我们开发了静态随机指令发生器( s r a n g e n ) 和动态随机指 令发生器( d r a n g e n ) 两套工具。其基本的工作流程是根据测试工程师提供的测试程序模板， 生成随机指令。测试模板的语法规则类似于p e r l ，提供了标量，集合，循环等语法结构， 同时提供了专门的语法来实现v e r i l o g 代码的直接内嵌和与i s a 的通讯。它提供了五种工 作模式( r a n d o m ，s t e p ，w e i g h t ，s e q u e n c e ，c o n s t ) ，能更好的满足测试工程师的需要。 在静态随机指令发生器中，生成的指令为汇编代码格式，经过编译连接转换成r t l 所 接受的格式进行仿真。它可以使测试工程师专注于对测试情况的描绘，而不必花时间书写 大量的汇编代码，同时也提高测试的可复用性。从c k 5 2 0 的验证过程中看来，测试代码压 缩率高达1 6 0 0 。 在动态随机指令发生器中，直接生成机器指令，通过p l i 接口与r t l 直接进行数据交 换。它能够支持长时间不间断测试，同时解决了例如因往后跳转而产生的死循环，异常响 应等问题。在某次典型的测试中，实现了连续五千万条随机指令测试，覆盖整个指令集。 从c k 5 2 0 验证工作的结果来看，静态和动态的随机指令发生器大大提高了测试效率和 测试覆盖率，取得了很好的效果，具有非常大的使用价值。本论文的以下部分就分别介绍 静态随机指令和动态随机指令发生器的原理利设计方法，并给出在实际测试过程中的结果 数据，从中可以看出实际的测试效果。 。2 2 浙江大学硕+ 毕业沦文 电气学院超大规模集成电路研究所 第四章静态随机指令测试 4 1 静态随机指令测试的工作流程 静态随机指令测试在嵌入式处理器设计领域得到了广泛的应用，甚至还提供了一些专 门的商用软件。静态随机指令测试的基本流程如图1 所示。验证工程师根据预先定义好的 一些语法，写好测试文件，通过随机指令生成器的处理，生成相应的汇编指令文件，再通 过编译，链结以生成二进制指令序列，作为r t l 和参考模型的共同输入，仿真完后对两者 的输出结果进行比较，如果不一致则报告错误。其中参考模型一般是由c c + + 伊e r i 写成的 行为模型。 4 2 静态随机指令测试的框图 厂 一 r 蛾广己，研 图2 静态随机指令测试的工作框图 4 3 静态随机指令测试的优点 我设计的静态随机指令测试具有以下优点 2 3 浙江大学硕士毕业沦文 电气学院超大规模集成电路研究所 1 由于输入文件是个用特定的语法写成的测试文件，可读性比较强，容易维护。 2 由于生成的汇编代码文件是由测试脚本以及一个随机指令产生的种予数决定，不同的 种子数可以产牛不同的汇编代码文件，提高了测试脚本的可重用性。 3 静态随机指令发生器会根据测试工程师的配置，自动产生合法的指令操作数，这样既 减轻了测试工程师的工作量，同时也减轻了指令产生中的人为因素，有利于提高代码 的测试覆盖率。 4 静态随机指令发生器提供了5 种随机选择模式，提供了变量和集合的定义，提供了循 环结构等，大大方便测试工程师书写测试脚本。 5 静态随机指令