（信息与通信工程专业论文）usb+20+otg+ip核设备控制器功能验证研究和实现.pdf

摘要 摘要 随着集成电路技术的快速发展，在一个小小芯片上集成了千万甚至亿个晶体 管，半导体工艺制程进入超深亚微米时代。但集成电路技术的发展遇到了一系列 挑战，集成电路的验证问题就是其中之一。验证是i c 设计过程中十分重要的环节， 它虽然不能创造价值，却决定价值，一个设计的好坏与验证工作的质量紧密相关， 验证为s o c 的设计提供有效保障。而随着集成电路设计规模和复杂度的不断提 升，验证己成为芯片设计的瓶颈，其大约占整个芯片设计时间和资源的7 0 。如 何快速高效的对设计进行验证，确保设计的正确性已成为系统芯片验证的难点和 热点。 本论文以科研项目开发基于a r m 的u s b 2 0o t gi p 核课题为依托，通 过深入研究目前国外主流o t g 产品的设计思想和技术细节，在此基础上对系统 结构进行了改进，设计了具有自主知识产权的u s b 2 0o t gi p 核，并搭建验证 平台并完成对i p 的验证，积累了大量的设计及验证经验。 本论文介绍了u s b 的技术、发展现状以及u s b 系统原理和结构，分析了 u s b 2 0 协议、o t g 补充规范以及u t m i 协议。在结构清晰，理论明确的前提下， 阐明了u s b 2 0o t gi p 核硬件实现时的系统结构和各个功能模块。 本人在项目中完成的工作主要有验证方案的制定以及i p 核的设备控制器的 功能验证。本文研究重点是功能验证，首先对验证理论及验证技术进行了探讨， 研究如何通过验证技术的应用和验证流程的合理化实现快速高效的验证，提高芯 片设计的质量。在这一基础上，以u s b 2 0o t gi p 核的验证为例，构建验证平台 实现对其的功能验证。验证平台的设计目标是自动化、模块化和结构化。本文对 验证平台的组织结构和设计方法进行了详细介绍。验证平台主要由验证i p 、a r m 端总线功能模块、u t m i 端总线功能模块、测试用例和仿真器构成。 本论文重点介绍了u s b 2 0o t gi p 核设备控制器的验证过程，给出了验证结 果。目前，本设计已经在a l t e r a 公司的f p g a 上通过了测试，得到了实现。从测 试的结果来看，本设计的各项指标达到了设计初始时的要求，证明设计的方案与 实现是成功的，可以满足实际应用的需求。 关键词：功能验证，通用串行总线，o t g ，设备控制器，现场可编程门阵列 i i 摘要 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 dc i r c u i t s ， m o r et h a nm i l l i o nt r a n s i s t o r si n t e g r a t e di n t o a s i n g l ec h i p ，s e m i c o n d u c t o r m a n u f a c t u r i n gp r o c e s se n t e r si n t ov e r yd e e ps u b m i c r o ne r a b u ti n t e g r a t e dc i r c u i t s a l s ob r i n g st l 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 f yi n t e g r a t e dc i r c u i t v e r i f i c a t i o ni se x t r e m e l yi n p o r t a n ti nt h ep r o c e s so fi cd e s i g n v e r i f i c a t i o nc a l ln o t p r o d u c ev a l u e ，b u td e c i d e sv a l u e 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 t sa 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 h o wt o v e r i f yt h ed e s i g nq u i c k l ya n de f f i c i e n t l yt oe n s u r et h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g nh a s b e c o m ed i f f i c u l tp o i n ta n dh o t s p o ti ns o cv e r i f i c a t i o n b a s e do nr e s e a r c hp r o j e c t d e v e l o pu s b 2 0o t gi pc o r eb a s e do na r m ，a f t e r i n d e p t hs t u d i n gi nd e s i g nr a t i o n a l ea n dt e c h n o l o g yd e t a i l su s e db y a b r o a dm a i n s t r e a m o t gp r o d u c t s ，t h i sd e s i g ni m p r o v e st h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ，w ed e s i g n e da n dv e r i f i e d t h ei p c o r e t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s sd e v e l o p m e n to fu s bt e c h n i q u ea sw e l la sp r i n c i p l ea n d s t r u c t u r eo fu s bs y s t e m ，a n dt h e na n a l y z e st h eu s b 2 0s p e c i f i c a t i o n ，t h eo t g s u p p l e m e n ts p e c i f i c a t i o n ，u t m i + s p e c i f i c a t i o n h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fe a c h m o d u l ei ni pc o r ei si n t r o d u c e da c c o r d i n gt os t r u c t u r ea n dp r i n c i p l ec l a r i t y ia mi nc h a r g eo fw r i t i n gt h ev e r i f i c a t i o np l a na n dt h ev e r i f i c a t i o no fi pc o r e d e v i c ec o n t r o l l e r t h i sd i s s e r t a t i o ne m p h a s i z e so nf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o nr e s e a r c h t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s st h ev e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ev e r i f i c a t i o nt h e o r yi ni c d e s i g nt oi m p r o v et h ev e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm a k ev e r i f i c a t i o n r e a s o n a b l e t a k i n gu s b 2 0o t gi pc o r ef o re x a m p l e ，w ev e r i f i e d t h ei pc o r eb yb u i l d i n ga v e r i f i c a t i o np l a t f o r m t h ed e s i g np u r p o s eo fv e r i f i c a t i o np l a t f o r mi sa u t o m a t i o n ， m o d u l a r i z a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c es t r u c t u r ea n dd e s ig n m e t h o do ft h e v e r i f i c a t i o np l a t f o r mi nd e t a i l t h ep l a t f o r mi sc o m p o s e do fv e r i f i c a t i o ni p , a r m s i d e b u sf u n c t i o n a lm o d u l e s u t m i s i d eb u sf u n c t i o n a lm o d u l e s ，t e s t c a s e sa n ds i m u l a t o r t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nv e r i f i c a t i o np r o c e s so ft h ei pc o r ed e v i c ec o n t r o l l e r i i i a b s t r a c t a n dt h e nv e r i f i c a t i o nr e s u l ti sp r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n a tp r e s e n tt h ei pc o r eu s e s a l t e r af p g aa st h eu t i m a t e l yi m p l e m e n t a t i o n s y s t e mp e r f o r m a n c ea n dp a r a m e t e r sg o t f r o mv e r i f i c a t i o na n dt e s t sp r o v e dt h a tt h ed e s i g nh a da c h i e v e do r i g i n a la i m ，w h i c h a l s oi l l u s t r a t e dt h a td e s i g ns c h e m ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o dw a sc o r r e c t k e y w o r d s ：f u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n ，u s b ，o t g , d e v i c ec o n t r o l l e r ，f p g a i v 图目录 图目录 图l l 飞利浦i s p l 7 6 l 芯片内部结构框图4 图2 一l 验证l p l 归模型8 图2 2 模型检验的汇聚模型1 5 图2 3 等价性检查汇聚模型15 图2 4 功能仿真的收敛路径1 7 图2 - 5 黑盒验证17 图2 - 6 自顶向下的验证流程1 9 图2 - 7 自底向上的验证流程2 0 图2 8 摹于平台的验证流程2 l 图2 - 9 基于系统接口驱动的验证流程2 2 图3 一lo t g 系统物理拓扑结构2 6 图3 2u s b 系统的分层2 7 图3 3u s b 数据包结构图2 8 图3 - 4 控制传输结构3l 图4 一l0 t gi p 设计流程3 6 图4 2u s b 2 0o q gi p 核系统结构图3 7 图4 3 没备控制器结构4 2 图4 4 验证使用的s u n 工作站4 3 图4 5i p 核的验证环境4 5 图4 6 验证平台层次4 6 图4 7a r m 模型结构4 7 图4 8 存储器控制器读写时序4 8 图4 - 9 配置验证环境消息窗口6 1 图4 1 0 初始化寄存器消息窗口6 3 图4 一ll 初始化寄存器仿真波形6 3 图4 一1 2 设备控制器进行高速检测握手消息窗口6 4 图4 一1 3 设备控制器进行高速检测握手仿真波形6 4 v i i i 图目录 图4 1 4 获墩设备描述符建立：阶段消息窗口6 5 图4 一1 5 获取设备描述符数据阶段消息窗口6 6 图4 一1 6 获取设备描述符状态阶段消息窗口6 7 图4 一1 7 获取设备描述符数据阶段仿真波形6 7 图4 一1 8 设备端点3 接收数据消息窗口6 8 图4 1 9 设备端点3 接收数据仿真波形- 6 9 图4 2 0v i p 加入错误消息窗口7 0 图4 2 l 设备控制器处理差错消息窗1 7 0 图4 2 2 设备控制器处理差错仿真波形7 l 图5 1 测试系统结构框图7 2 图5 22 4 1 0 开发板与f p g a 验证板的i l - i 百i 图7 3 图5 3u s b 2 0o t gi p 核测试系统7 3 图5 4 测试板正在_ - i ：作7 4 图5 5 驱动程序打印信息7 5 图5 - 6w i n d o w s 主机格式化界面7 6 图5 7 测试u 盘文件传输7 7 图5 8e v e r e s tu l t i m a t e 测试截图7 8 图5 - 9e v e r e s tu l t i m a t e 测试数据传输速度7 8 i x 表闷录 表目录 表3 一lp i d 及包类型2 9 表3 2 包错误类型3 2 表4 一li p 核在a r m 侧的接口信号3 8 表4 2 任务所j _ 订的u s bo t gv p 命令5 3 表4 3a r m 端t e s t c a s e 5 7 表4 4 基本功能验证t e s t c a s e 一5 7 表4 5 控制传输功能验t i t it e s t c a s e 5 8 表4 - 6 批量传输功能验证r e st e a s e 5 8 表4 7 差错传输功能验证t e s t c a s e - 5 9 表4 - 8 控制器寄存器定义6 2 x 缩略词表 缩略词表 英文缩写英文全写中文注释 著名r i s c 设计企业。其r i s c a r m a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s m c u 统称为a i 蝴。 b f mb u sf u n c t i o nm o d e l 总线功能模型 e i - i c ie n h a n c e dh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e 增强型主机控制器接口 f p g af i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y现场可编程门阵列 f sf u l ls p e e d全速 g p i og e n e r a lp r o g r a m m a b l ei n p u t & o u t p u t 通用i - j 编程输入输出接口 i 埘ph o s tn e g o t i a t i o np r o t o c o l 主机交换协议 h s h i g hs p e e d 高速 0 h c i o p e nh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e 开放型主机控制器接口 0 t go nt h eg o u s b 2 0 的补充协议 p cp e r s o n a lc o m p u t e r个人电脑 p i t yp lt y s i c a ll a y e r物理层 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精简指令集计算机 s i es e r i a li n t e r f a c ee n g i n e串行接口引擎 s r ps e s s i o nr e q u e s tp r o t o c o l会话请求协议 u t m i u s b 2 0t r a n s c e i v e rm a c r o c e l li n t e r f a c e u s b 2 0 收发器宏单元接口 u s bu n i v e r s a ls e r i a lb u s 通用串行总线 v i pv e r i f i c a t i o ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t y验证知识产权 x i 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，除了文巾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 获得电子科技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巾作了明确的 说明并表示谢意。 签名：辞虹 曰期： 汐巧 年占 月 7 日 | 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向圈家有关部门或机构送交论文的复日j 件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电予科技大学可以将学位论文的全 部或部分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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：9 甲掭文 导师签名 口；弱：) 妙dr i l日 第一章引言 第一章引言 本章将主要介绍验证技术发展概况、u s bo t g 技术及研究现状，同时介绍论 文研究的目的与意义、课题的来源及课题的设计目标、本人的主要工作任务，最 后介绍论文的内容安排。 1 1 验证技术概论 验证作为集成电路设计的重要组成部分，伴随着集成电路设计的每一个环节， 贯穿整个设计过程的始终。功能验证足验证的核心内容，覆盖前端设计的所有阶 段。由于功能验证对于集成电路设计的重要意义，功能验证的技术、方法研究和 工具开发一直受到学术界和产业界的重视。随着e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ) 技术的不断进步，集成电路验证方法和技术也不断改进和提高。目前，集成电路 验证己经发展成为一个复杂的方法体系。 1 2u s bo t g 技术简介 u s b 是u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) 的简称，是由c o m p a q ( 康柏) 、 i n t e l ( 因特尔) 、l u c e n t ( 朗讯) 、h p ( 惠普) 、m i c r o s o f t ( 微软) 和p h i l i p s ( 飞利 浦) 等多家公司制定的计算机外围设备连接规范，u s b 技术使计算机具备与各种 速率的外围设备进行低成本连接的能力。 u s b 技术是随着计算机的发展而产生和发展的。随着计算机的广泛使用，外 部设备的使用也日益增多，因此引发了一些问题。由于计算机在初期具有两种接 口，即串口和并口，不仅在性能方面无法满足要求，而且在数量方面也很难扩展， 极大的限制了外部设备的使用。u s b 技术的诞生，则从根本上解决了这一问题。 1 9 9 4 年1 1 月“日发布的u s b0 7 协议，标志着u s b 技术正式诞生。1 9 9 6 年1 月发布的u s b l 0 协议，标志u s b 技术开始走向成熟。1 9 9 8 年9 月u s b l 1 协议 发布后u s b 流行起来。2 0 0 0 年4 月，u s b 2 0 协议发布，使u s b 得到更广泛应用， 电子科技大学硕士学位论文 逐步成为计算机主流接口标准【。u s b 技术小仅可以支持热插拔技术和高级即插 即用功能，而且不使用i r q 的中断控制以及输入输出的地址资源，最多可以级连 1 2 7 个设备【l 列。除了上述优点，u s b 技术还有一个最大的优点就是数据传输速度 很快，使用u s b l 1 技术，传输速度最快可以达到1 2 m b s ，而使用u s b 2 0 技术， 传输速度最快可以达到4 8 0 m b s 。由于u s b 技术具有这些优点，使用u s b 接口的 外围设备迅速流行起来，从键盘到鼠标，从优盘到m p 3 播放器，从数码相机到打 印机，u s b 接口几乎应用到了所有利，类的外部设备上面。由于u s b 接口的广泛应 用，开发设计拥有自主知识产权的u s b 2 0 接口i p 核具有巨大的使用价值和应用 前景。 随着技术的发展，新的问题又出现了，u s b 技术的通信模式处在传统计算机 充当主机的前提之下的，只有计算机与u s b 设备连接才能进行数据传输，而且必 须由计算机发起数据的传输，换句话说，就是所有u s b 外围设备只能连接计算机 机，脱离了计算机，外设相互间直接通信是不可行的。u s b 外围设备是不能够取 代计算机的。o t g 协议作为u s b 2 0 的补充协议，使u s b 技术突破传统框架的桎 梏，使u s b 设备摆脱了计算机的束缚，实现了外设间的自主通信，解决了外设问 互连的问题。o t g 是o nt h eg o 的简称，u s bo q 、g 技术在原有的u s b 技术基础 上增加了电源管理功能，并可提供主机检测能力，支持主机协商协议( h n p ，h o s t n e g o t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 和会话请求协议( s r p ，s e s s i o nr e q u e s tp r o t o c 0 1 ) ，它允许设 备既可作为主机，也可作为外设操作。因此u s bo f g 设备既能充当主机亦能扮演 从机角色。 u s b 2 0o t g 技术具有如此多的优点而拥有巨大的发展前景，随着外设功能增 长和对数据传输速度需求的提高，u s b 接口的数码设备增长迅速，很多公司如高 通公司( q u a l c o m mi n c ) 、索尼电子( s o n ye l e c t r o n i c s ) 等都为其产品选择o t g 功能。 1 3u s bo t g 国内外研究现状 国外很早就开始对u s b 2 0 接口芯片产品进行了开发，在u s b 2 0 协议公布的 同年1 1 月，c y p r e s s 公司和p h i l i p s 公司研发出了u s b 2 0 接口芯片。在当前市场上 进行销售的u s b 2 0 接口芯片都是国外厂商生产的，而在这些其中芯片中，c y p r e s s 公司、因特尔公司、飞利浦公司、n e t c h i p 公司、n e c 公司、t i 公司等几家公司 的芯片较为成熟。这些公司的芯片主要分2 种：带u s b 接口的单片机或纯粹的u s b 2 箜二童! ! 童 接口芯片【1 3j ，后者需要用外部的m c u ( 微控制器) 、d s p ( 数字信号处理器) 或 其它的处理器来对接口芯片进行控制。这两种接1 芯片的核心部分都是u s b 2 0 p h y + s i e 核，其它还包括时钟模块、数据缓存、各类接口等，不同的接口芯片有 各自的一些特色，不过总体结构和功能都相差不大。在使用时需要处理器的同件 以中断的方式来做一些控制，比如向主机返回各类设备描述符等。u s b 接口上电 配置好以后，处理器可通过u s b 接口芯片收发与u s b 协议无关的数据【l3 1 。 2 0 0 4 年，飞利浦( p h i l i p s 现为s t 爱立信) 推出了u s bo t g 接口芯片 i s p l 7 6 1 i s p l 7 6 2 ，该芯片可以起到u s b 主机或u s b 外设的作用，也i 叮以同时担 任两种角色引，可用于各种数码设备之问的点对点数据传输而无需计算机的参与， 图3 1 为飞利浦i s p l 7 6 1 的结构框图f ”】。 m a x i m 公司研制的u s bo t g 接口芯片m a x 3 3 0 1 e 内部包括u s bo t g 收发 器、v b u s 电荷泵、线性稳压器和1 2 c 2 线串行接口，可与采用+ 1 6 2 至+ 3 6 v 逻辑 电源电压的器件连接。t d i 公司的t d l l 2 0 单芯片u s bo t g 整合了全速主机和高 速设备双重功能，能同时充当主机和外设。 3 电子科技大学硕士学位论文 嗍1 抖p s w z n 粼王一 图1 - 1 飞利浦i s p l 7 6 1 芯片内部结构框图 2 0 0 4 年，无线u s b 促进联盟在美国i n t e l 技术峰会上成立了。无线u s b 技术 的数据传输速度最快可达到4 8 0 m b s 。无线u s b 技术免去了线缆的束缚，具有更 加广阔的应用空间。 2 0 0 6 年，s y n o p s y s 公司推出了u s b 2 0o i g 芯片。这一芯片符合u s b 2 0o t g 补充规范，可以被配黄成u s b 设备控制器或u s b 主机控制器，既能充当主机亦能 扮演从机角色，并支持高速、全速和低速三种数据传输模式。控制器j g 片采用的 是标准a h b 接口设计，在整个系统中，控制器芯片既可以做a h bm a s t e r 又可做 a h bs l a v e 使用，也即该o t g 控制器具有总线控制权1 1 6 】，当其申请到了a h b 总 线控制权后就可以直接访问该系统的片外存储器。 2 0 0 7 年，因特尔、惠普、微软等公司开始制定u s b 3 0 规范，u s b 3 0 技术可 4 笙二兰呈! 童 以使得数据传输速度将达到u s b 2 0 技术其数据传输速度的l0 倍，u s b 3 0 技术向 下兼容u s b 2 0 。 国内u s b 2 0 接口芯片的发展较慢。2 0 0 2 年国内公司如青岛硅盛微电子有限 公司开始研究开发u s b 2 0 的接口芯片，已取得了成功，并于2 0 0 4 年5 月申请了 专利，并在2 0 0 5 年的高交会上吸引了资金，进行u s b 2 0 接口芯片的产品下一阶 段的研发。我国相关部门也高度重视u s b 2 0 接口芯片的研发，并将其列为国家 8 6 3 项目，电子科技大学在2 0 0 2 年承接了u s b 2 0i p 核开发的国家8 6 3 项目，在 2 0 0 4 年3 月该项目通过了国家的验收。2 0 0 5 年，电子科技大学又与某著名公司合 作开发基于a r m 的u s b 2 0i p 核。这两个项目最大的不同是开发的侧重点不同， 国家8 6 3 项目是偏重于研发，目标是打破国外的技术垄断，设计拥有自己的核心 自主知识产权u s b 2 0 的接口芯片；而与公司合作的项目是偏重于产品，目标是制 作一个基于a r m 的u s b 2 0 的i p 核【f 7 1 。 国内目前基本没有进行u s bo t g 的开发设计，许多整机设备厂家都直接选择 国外芯片。但近年来，豳内在集成电路及i p 设计飞速发展，将有越来越多的自行 开发设计的o t g 芯片。 1 4 课题来源及设计目标 本课题是四川省科技厅的科技攻关项目，开发具有自主知识产权的u s b 2 0 o t gi p 核，本论文属于该课题的一部分。 本课题的工作包括： 1 设计u s b 2 0o t gi p 核； 2 搭建i p 核验证平台并完成对i p 的验证； 3 在l i n u x 下开发u s b 2 0o t gi p 的驱动程序； 4 设计i p 核的f p g a 测试系统，测试该i p 核的功能，并演示u s bo t g 功能。 1 5 论文研究的意义 本课题主要依附于四川省科技厅“开发具有自主知识产权的u s b 2 0o t gi p 核”项目，研究了验证技术在u s b 2 0o t gi p 核设计中的应用与实现，对于国内 5 电子科技大学硕士学位论文 培养集成电路设计人才和集成电路验证技术的研究都具有一定的意义。 首先，尽管我们国家已经有了一定的集成电路芯片制造能力，集成电路设计 业也正在茁壮成长，但是我国集成电路技术水平与世界水平仍然有相当大的差距。 而验证又是是集成电路设计过程中十分重要的环节，集成电路的验证虽然不能创 造价值，但却决定价值，一个集成电路设计的好坏与集成电路验证工作的质量息 息相关，验证为片上系统芯片的设计提供有效保障。随着进入集成电路超深亚微 米工艺，集成电路验证越来越成为集成电路设计的瓶颈，可以说集成电路验证的 效率和质量直接决定产品的面市时间和产品的竞争力。研究集成电路功能验证及 其分类方法，发展集成电路验证技术，对于缩短我固集成电路技术与世界水平差 距，尽快改变我国集成电路产业落后局面，具有极重要的战略意义。 其次，人是生产力的决定因素，集成电路的发展更是离不开人才，高级集成 电路人才的匾乏，是制约我们国家集成电路发展的重要因素。通过本项目的实践， 可以为我们国家集成电路的发展培养了合格的技术人才和管理人才。 1 6 本人的工作任务 作者作为验证人员之一，在此课题中负责并完成以下工作： 1 u s b 2 0o t gi p 核功能验证方案的制定； 2 i p 核设备控制器功能仿真验证。 1 7 论文内容安排 论文从验证理论、u s b 技术及其协议、i p 核设备控制器验证和其f p g a 测试 等方面讨论i p 核设备控制器的功能验证及实现过程。组织结构如下： 第一章简单阐述了验证技术，介绍了u s bo t g 技术及研究现状，课题来源 及设计目标，本人的工作任务及论文内容安排。 第二章系统的详细的介绍了验证理论，包括验证定义、验证原则、验证技术、 验证流程、验证方法和验证计划等。 第三章介绍了u s bo t g 协议并在此基础上对其进行了研究总结。 第四章介绍了i p 核系统结构、验证平台的搭建以及i p 核的验证实现过程。 第五章给出i p 核f p g a 测试结果以及以及分析。 6 第一章引言 第六章总结本论文的研究成果以及对未来工作的展望。 7 电子科技大学硕士学位论文 验证的定义及其目的 第二章验证理论 著名的验证科学家j a n i c kb e r g e r o n 这样定义“验证”：“验证是证明一个设 计的功能是否正确的过程( ap r o c e s su s e dt od e m o n s t r a t et h ef u n c t i o n a lc o r r e c t n e s so f d e s i g n ) ”1 1 1 。验证贯穿整个集成电路设计每个环节，对从行为级h d l 设计到f - 1 级网表再到芯片流片( t a p e o u t ) 需要做功能验证、形式验证等大量的验证工作。 图2 一l 通过验证回归模型可以清晰的描述验证过程，图中“转换”可以是任何由起 始点到达终止点的过程，例如根据设计规格编写r t l 代码形成r t l 模型、把r t l 模型综合成门级网表等等。“验证”过程则足一个相反的过程，它从“转换”的 终止点出发回到起始点。 图2 - 1 验证同归模型 验证的目的是为了保证设计实现的功能特性是正确的，是与设计计划中定义 的功能特性保持一致。 2 2 验证的必要性和重要性 随着科学技术的不断发展，人们在生活、学习、工作中离不开芯片。各种电 子娱乐产品，比如电视、d v 、d c 、p s p 等，使我们的生活丰富多彩；各类通信工 具，比如移动电话、互联网的发明等，将世界变得越来越小；而电子计算机、飞 机的产生，给人们带来了极大的便利；还有尖端科技，比如火箭、卫星、飞船等， 让我们向宇宙深处不断的探索。芯片在我们的生活中扮演着不可或缺的角色，没 8 第二苹验证理论 有j 芯片，世界将黯然失色。 然而一块有缺陷的芯片可能比没有芯片还要糟糕。验证的必要性和重要性已经 被集成电路业界的一次次的缺陷造成的重大损失所证明。英特尔公司的浮点危机 就是其中著名的一个例子。1 9 9 4 年底，刚推出奔腾处理器不久的英特尔公司而i 晦 着一个重大的危机，美国林奇堡大学的一位数学教授在进行研究时发现，在浮点 数学运算时奔腾计算机会出现错误。这个实验证实了错误的产生的确是由于奔腾 芯片在设计上存在的缺陷。于是，这位数学教授向i n t e l 提出了质疑。i n t e l 起初并 没有介意这回事，并向用户解释这是一种概率相当低的错误，只有9 0 亿分之一， 然而用户对此的反应越来越激烈，由此引发泫然大波，导致同年1 2 月i b m 公开向 外界宣布，停止付运所有的奔腾电脑，c n n 的记者也开始对此事展开采访。这时 的i n t e l 仿佛才“大梦初醒”，一时有些方寸大乱。最终英特尔公司不得不免费为所 有用户更换问题芯片，这场风波终于平息下来了。经过统计计算，这个没有验证 出来的缺陷的价值4 7 5 亿美元。 而随着设计规模的增大，验证工作的开销越来越大。从统计资料中可以发现 在1 9 9 6 年的3 0 万门的芯片设计中，验证工作在整个项目中占据了3 0 4 0 的时间 和资源；到了2 0 0 0 年1 0 0 万门的：卷片设计中，验证工作在整个项目中占据了5 0 8 0 的时问与资源【2 , 3 , 4 】。 2 3 验证工作的重要原则 验证工作必须要遵循以下两个重要的原则：充分性原则和独立性原则。 2 3 1 充分性原则 著名的集成电路工程师r a jm i t r a 曾经说：“你永远不知道什么时候验证过程才 结束”。验证的充分性原则是一个利益权衡问题。因为验证是一个穷举设计中可 能存在的错误的过程。这样就带来了一系列的问题：一个设计验证到什么程度才 叫充分；对于一个设计的验证，采用什么样的验证方法和验证手段付出的代价最 少；怎样做好验证计划来控制验证过程、协调验证资源。 验证的充分性与验证的代价成正比，如果给出足够的时间，理论上任何一个 设计错误都能被最终发现，随着在验证上花费的时间越多，设计中存在的错误将 会越来越少，也越来越难以发现，而验证的代价却是持续的。随着设计的规模越 q 电子科技大学硕士学位论文 来越大，验证面向的设计越来越复杂，在加上产品面世的时问压力，这样，越是 在验证工作的后期，发现一个设计错误的代价就越大。总而言之，验证验证的充 分性原则就是在比较验证的完备性与验证成本后进行折中，采用合适的验证策略 和先进的验证手段。 2 3 2 独立性原则 人类的活动具有高度的同的性，在建立适当的目标时不可避免地会受到心理 作用的影响。如果目的是要证明设计中没有错误，那么就会不自觉地朝这个方向 去做；也就是说，会倾向于挑选那些使设计出错的可能性较小的测试数据。另一 方面，如果目标是要证明设计中有错，那就会选择一些易于发现设计所含错误的 测试数据。而后一种态度显然更有利于找出设计的错误，会更好的达成验证的充 分性【5 1 。 因此验证工作的第二个原则是独立性原则，即代码设计与代码验证相独立， 代码开发者应尽量避免验证自己的代码。这是由验证工作的特殊性决定的，验证 独立性原则用来保证验证的质量。 代码丌发者被指定验证i ；t 己的代码是不合适的，甚至是非常糟糕的。 首先，开发和验证生来就是不同的活动。开发是创造或者建立某事物，例如 一个模块或者整个系统的行为。而验证的唯一目的则是证明一个模块或者系统工 作不正常，并找出其中的错误。这两者之间有着本质的矛盾。一般人不太可能把 两个截然对立的角色都扮演得很好。例如，一名作者在完成其著作后，对其著作 进行校对或批评是非常幽难的。也就是说，在自己的工作中找出缺陷往往是非常 不容易的。基于这一事实，应该避免或者限制开发者参与验证工作。当一个设计 人员在完成了设计，编写代码的建设性工作后，要一夜之问突然改变他的观点， 设法对一设计形成一个完全否定的态度，那是非常刚雉的。大部分设计工程师都 由于不能使自己抱着要绞尽脑汁找出自己设计中错误的态度，因而不能有效地验 证自己的设计。 其次，除了上面这一问题之外，还有一个重要的问题：设计中可能包含由于 设计工程师对设计规格的叙述或说明的误解而产生的错误。如果是这种情况，当 设计工程师验证自己的设计时，往往还会带着同样的误解致使错误难以被发现。 再次，设计与验证需要不同的技术和思想。设计关注与满足系统性能要求， 着眼与对设计的优化，对代码风格的追求。验证关注目标是设计是否被准确无误 1 0 第二章验证理论 的实现，验证工程师需要对设计有强烈的怀疑态度。 综上所述，并不意味着设计工程师不可能验证自己的设计。不过相比之下如 果由另外专门的验证工程师来进行设计的验证，就会更为有效、更为成功。 2 4 常用的验证技术 验证技术有许多种，它们基本可以分为四种：基于仿真的验证技术、静态验 证技术、形式验证技术、物理验证与分析技术。要实现系统芯片的设计目的，必 须将这些技术组合起来使用【6 ，7 ，8 ，9 1 。 2 4 1 基于仿真的验证技术 仿真( s i m u l a t i o n ) 验证技术是集成电路验证的主要形式。基于仿真的验证技术 主要包括：基于事件的仿真、基于时钟周期的仿真、基于事务的仿真验证、基于 代码覆盖率验证、软硬件协同仿真验证、硬件加速仿真以及快速样机原型系统仿 真等等，下面将逐一进行介绍。 1 基于事件的仿真 事件是指输入激励的一次变化。基于事件的仿真技术一次执行一个事 件，事件在整个设计中传播直到稳定状态。基于事件触发的仿真模型既包 含了功能模型，也包含了时序模型，基于事件的仿真器把输入激励的变化 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。 基于事件的仿真的验证技术与其他的验证技术相比，优点在于仿真 结果精确，易于检测到集成电路设计中存在的毛刺，因此非常适合用于异 步电路的仿真验证。而其缺点在于使用的算法复杂，仿真验证的速度受到 算法影响较大，故通常用于规模不大的集成电路仿真验证。 2 基于时钟周期的仿真 基于时钟周期的仿真的验证技术以时钟周期为仿真时问单元，只在时 钟的上升沿或下降沿进行触发，每个时钟周期对电路计算一次。 基于时钟周期的仿真验证技术特点是其算法简单，仿真验证的速度较 快，其忽略设计的时序，在个时钟周期，只在时钟的上升沿或下降沿进 行触发，信号仅更新一次，从而信号必须与时钟同步，通常用于同步设计 1 1 电子科技大学硕+ 学位论文 的集成电路仿真验证。对于异步集成电路而言，基于时钟周期的仿真的验 证技术忽略设计时序，不能检测到其中存在的毛刺，因此不能使用。 3 基于事务的仿真验证 基于事务的验证技术提供了在事务层次上对集成电路设计进行仿真 验证的方法和手段，其通过使用总线功能模型( b f m ，b u sf u n c t i o nm o d e