一种超大规模集成电路的自动化验证方法

1、一种超大规模集成电路的自动化验证方法一种超大规模集成 1 引言 当今,数字集成电路的规模越来越大,集成度越来越高,百万门级千万门级的设计已经不再是尖端技术,这样的现状带来的结果就是芯片功能和逻辑出错的概率大大增加.为了保证芯片设计的准确性和IP的可重用性,验证就起到了决定性的作用.目前在ASIC设计中验证的工作量大概占有总工作量的60%70%,除了前端的方案设计和RTL编写代码阶段以外,验证将渗透在整个设计团队每个人的工作中直到芯片的最终流片.传统的验证方法也越来越难以验证如此复杂的芯片.目前,在进行大规模交换芯片的验证过程中通常采用参考模型协助验证,本文中称这种利用参考模型进行验证的方法成为

2、大规模芯片典型验证方法. 图1为典型的对大规模芯片的验证环境框图. 待测设计参考模型结果分析芯片中的存储管理模块(以下简称MMU)为例,具体描述一下这种可配置可替换的使用参考模型的验证方法的实施细节. 首先,分模块建立整个芯片的参考模型时,要保证MMU的所有接口与实际模块的接口完全一致,即模型与原型的接口一致,以便嵌入和替换.因此需要在建立MMU参考模型的同时,建立MMU的接口文件.假设MMU参考模型的顶层文件名为MMU.rm,那么对应的接口文件名设为MMU.if.rm. 准备好上述文件后,MMU这个模块就具备可嵌入替换的条件了. 其次,在实施嵌入验证方案时,需要配置编译参数,比如 -m MM

3、U,控制编译器调用MMU的设计文件(MMU.dut)和模型的接口文件(MMU.if.rm).完成编译后生成的目标文件中不再包含MMU参考模型的代码(MMU.rm),而是包含了MMU的待测代码和对应的参考模型接口代码.这样就完成了通过配置将待测模块嵌入到参考模型内部的目标代码的建立. 最后,调用脚本运行目标代码,分析运行结果. 图4为上述过程的简明框图. MMU.rm模块参考模型参考模型vera实现MMU.dut待验证模块待测设计verilog实现MMU.if.rm模块参考模型接口配置编译-m MMUMMU.dut待验证模块MMU.if.rm模块参考模型接口目标代码运行图4 可替换参考模型的验证

4、过程 由此可见,待验证模块MMU即使在其他模块还未完成或还未得到验证的情况下通过嵌入到参考模型中完成验证,加快了验证进度. 总之,这种可配置可替换的使用参考模型的验证方法,通过在参考模型中增加模块的接口文件,利用条件编译,在编译过程将参数提取到参考模型中,建立内嵌设计模块的参考模型,以达到很方便的可配置可替换的使用参考模型,大大提高验证效率和减少验证工作量. 3 描述数据流的方法 由本文引言和图1可知在大规模集成电路设计过程中,编写测试向量的效率和质量直接影响着功能验证的可靠性和效率.而现有的编写测试向量的方法主要是通过编程和脚本文件来实现,这些方法受外因影响大,对编写激励人员要求高,编写费时

5、,费力,又非常难以理解和维护,常常导致验证工作不能按期完成.因此验证领域迫切需要一种新的描述测试向量的方法.本文介绍的描述数据流方法就是在这种情况下应运而生的一种有效的方法,它能弥补以上各个方法的不足,显著提高验证效率.此方法采用特定格式的纯文本方式描述以太网数据流,数据流文本由若干个结构块组成,每一个结构块描述数据流不同层次的信息.编写向量时将数据流中所需要的数据以填表的方式填入文本相应的字段.生成的数据流文本由向量解释程序进行解释.仿真时由向量解释程序自动读取并分析向量文本中的各字段,按要求生成各种帧结构,完成数据流的组装,并传递给接口仿真模块.本方法也支持随机产生数据流,它使验证人员从复

6、杂的编程输入激励中解放出来,能更好的关注功能验证本身. 下面对这种描述以太网数据流的方法做更详尽的说明.具体实现方法如下: 数据流以文本的形式进行描述,主要包括以下8个部分: 1. 流规格特性 :指定以太网端口相关属性及数据流结构信息 2. 序列规格特性 :指定数据流中序列的相关信息 3. 帧规格特性 :指定序列中帧的相关信息 4. 一层数据规格特性 :指定帧中的一层信息 5. 堆叠规格特性 :指定帧中堆叠头的相关信息 6. 二层数据规格特性 :指定帧中的二层信息 7. 三层数据规格特性 :指定帧中的三层信息 8. 负载有效数据内容 :指定帧中包含的有效数据信息 本描述方法根据以上8部分定义了

7、八种数据流的结构块,并创立了八种结构块关键字与之相对应,结构块关键字是向量用来表明结构块类型的固定字符串.每个结构块由结构关键字和一组成对的花括号()组成.结构块中的具体信息采用字段的形式表示.这种分层嵌套的方法结构层次明确,易读,易管理. 下面列出向量文本支持的八种结构块关键字及与之相对应的解释. 1. STREAM :指定以太网端口相关属性及数据流结构信息 2. SEQUENCE :指定数据流中序列的相关信息 1. FRAME :指定序列中帧的相关信息 2. LAYER1 :指定帧中的一层信息 3. STACK :指定帧中堆叠头的相关信息 4. LAYER2 :指定帧中的二层信息 5. L

8、AYER3 :指定帧中的三层信息 6. PAYLOAD :指定帧中包含的有效数据信息 STREAM结构块定义了各端口数据流的结构信息.STREAM结构块的格式如下所示: STREAM 如上所示,STREAM结构块由两层花括号()嵌套组成.第一层花括号只有一组,标志STREAM块的起始和结束.第二层花括号可以并列有若干组,在每组第二层花括号内对一个端口的数据流信息进行描述,内容可以有若干行,每一行描述一个SEQUENCE的ID号和这个SEQUENCE的数目.图2中内的内容为注释,我们根据注释的内容在注释行的下一行的对应位置添入相应内容,下面填端口号;下面填写端口速率模式; 下面填写数据流是否允许

9、循环发送,此项为选择项可不填;和下面分别填写这个端口发送的SEQUENCE的ID号和数目,两者间以空格区分.和下面分别填写此端口下各个SEQUENCE之间的间隙是否需要重新设置和设置的时间,此项也为备选项,如果不填,系统可以使用缺省值.不需要数据流的端口可以省略,不进行描述.为适应随机测试的要求,SEQUENCE ID可描述为R,表示从SEQUNCE结构块定义中随机选择一个SEQUENCE ID. SEQUNCE结构块中定义了数据流中序列的相关信息,SEQUNCE结构块的格式如下所示: SEQUENCE 如上所示,SEQUENCE关键字标志SEQUENCE结构块的开始.SEQUENCE结构块由

10、两层花括号()嵌套组成.第一层花括号只有一组,标志SEQUENCE块的起始和结束.第二层花括号可以有若干组,每组包括了一个SEQUENCE描述,SEQUENCE描述的个数不限.第二层花括号内可以有若干行,每一行表示一个FRAME的定义.和下分别填FRAME的ID号和FRAME的个数,和下分别填写此SEQUENCE下各个FRAME之间的间隙是否需要重新设置和重新设置的时间,此项可缺省项,如果不填,系统使用缺省值.为适应随机测试的要求,FRAME ID可描述为R,表示从FRAME块定义中随机选择一个FRAME. FRAME结构块定义了各种FRAME的结构信息,FRAME结构块的格式如下所示: FR

11、AME 如上所示,FRAME关键字标志FRAME结构块的开始,FRAME结构块由一层花括号()组成,标志FRAME块的起始和结束.花括号内可以有若干行,每一行表示一个FRAME定义.下面填写FRAME标识,与SEQUENCE块中的调用相对应;下面填写LAYER1的标志号;下面填写STACK的标志号;下面填写LAYER2的标志号;下面填写LAYER3的标志号;下面填写PAYLOAD的标志号;下面填写报文总长度,可以填入固定长度,或者R表示长度随机,或者INC(a, b)表示基值为a,长度以幅度b进行递增.为适应随机测试的要求,L1 ID,L2 ID,L3 ID,PAYLOAD ID可描述为R,表

12、示L1,L2,L3,PAYLOAD将从其相应的块定义中随机选择一个. LAYER1结构块定义了报文数据流的一层信息,LAYER1结构块的格式如下所示: LAYER1 如上所示,LAYER1关键字指示LAYER1结构块的开始.LAYER1结构块由一层花括号()组成,标志LAYER1块的起始和结束.花括号内可以有若干行,每一行表示一个LAYER1定义.TYPE字段指示当前LAYER1信息属于哪一种格式.PREAMBLE表示帧前导码,SFD指示帧起始定界符,IPG指示帧间间隔. STACK结构块定义了报文的STACK信息.如果报文不带STACK信息,该结构块可以省略.STACK结构块的格式如下所示,

13、由于篇幅的关系STACK中的字段排列成两行,在向量中应在一行内表示. STACK 如上所示,STACK关键字指示STACK结构块的开始.STACK结构块由一层花括号()组成,标志STACK块的起始和结束.花括号内可以有若干行,每一行描述一个STACK的定义.STACK ID 指示STACK标识号,与在FRAME中定义的STACK ID对应;STACK结构块中其他字段的定义参见附表2. LAYER2结构块定义了报文的二层信息,LAYER2结构块格式如下所示: LAYER2 LAYER2关键字指示LAYER2结构块的开始.LAYER2结构块由一层花括号()组成,标志LAYER2块的起始和结束.花括

14、号内可以有若干行,每一行表示一个LAYER2定义.LAYER2结构块的字段定义见附表3. LAYER3结构块定义了报文的三层信息,LAYER3结构块格式如下所示: LAYER3 如上所示,LAYER3关键字指示LAYER3结构块的开始.LAYER3结构块由一层花括号()组成,标志LAYER3块的起始和结束.花括号内可以有若干行,每一行表示一个LAYER3定义.LAYER3结构块的字段定义见附表4. PAYLOAD结构块定义了报文的载荷信息,PAYLOAD结构块的格式如下所示: PAYLOAD 如上所示,PAYLOAD关键字指示PAYLOAD结构块的开始.PAYLOAD结构块由一层花括号()组成

15、,标志PAYLOAD块的起始和结束.花括号内可以有若干行,每一行表示一个PAYLOAD定义.PAYLOAD结构块的字段定义见附表5. 以上篇幅介绍了本方法具体的实现细节,本方法的特点在于它能使用特定格式的纯文本方式描述以太网数据流,使测试激励的编写独立于某种特定编程语言,同时支持随机产生数据流,使验证人员从复杂的编程输入激励中解放出来,同时文本形式的测试向量易于修改,可读性强,易于管理,工程人员不需要相关的培训和编程背景就能进行编写,同时可靠性高,覆盖全面,能够显著提高验证效率. 4 描述配置流的方法 本文上一个章节介绍了测试向量中数据流的描述方法,众所周知在芯片功能验证中还需要对仿真参数和芯

16、片内部寄存器进行配置,因此本文以PCI接口配置流为例介绍一种在验证中配置流的描述方法,借助它验证人员可以方便的对寄存器和仿真参数进行配置,实现功能验证过程的可控性,显著提高验证效率. 本文介绍的这种采用纯文本方式描述PCI接口配置流的方法,可以解决芯片在功能验证中遇到的很多难题.本方法介绍的PCI接口配置流由一系列配置命令组成,共包括10种仿真配置命令和14种芯片配置命令.仿真配置命令实现对仿真过程的控制,包括对仿真时间,命令间隔等仿真参数的配置.芯片配置命令实现对芯片内部寄存器等重要参数的配置.每条仿真配置命令和芯片配置命令均由命令关键字和相应的字段组成.仿真时由配置流解释程序自动读取并分析

17、向量文本中的各字段,按要求生成配置命令流,并传递给接口仿真模块.这种描述PCI接口配置流的方法和上一章节介绍的以太网数据流描述方法类似,它也使验证人员从复杂的编程输入激励中解放出来,是目前仅有的使用纯文本方式描述测试激励,进行功能验证的方法. 具体实施方法如下所示: 此方法共包括10种仿真配置命令和14种芯片配置命令,每条配置命令由命令关键字和相应的字段组成.配置命令列表见附表. 仿真配置命令实现对仿真过程的控制,共10条命令,每条命令的格式如下: 第一条命令为配置仿真时间命令,格式如下: SET_RUNTIME 第二条命令为配置等待时间命令,可以放在任意一条配置命令之后,程序在读入这条命令时

18、进入计时等待,直到等待时间到达后开始执行下一条配置命令.命令格式如下: SET_COMMAND_WAIT 第三条命令为配置PCI命令间隔命令,可以用来指定每条PCI配置命令执行之间的时间间隔.根据这个时间间隔向PCI总线发送配置命令.配置PCI命令间隔命令的格式如下: SET_PCI_INTERVAL 第四条命令为配置芯片初始化等待时间命令,用以保证仿真完成芯片初始化配置后能正确收发数据包.如果未配置此命令,则系统可以按缺省值来设定初始化配置的等待时间.命令格式如下: SET_INITIAL_WAIT 第五条命令为PCI错误检测命令,可用于PCI接口的错误检查.为单行命令,命令格式如下: SE

19、T_PCI_ERROR 第六条命令为PCI Retry配置命令,此命令可用于PCI重试的检查,为单行命令,命令格式如下: SET_PCI_RETRY 第七条命令为PCI Abort设置命令,此命令可用于PCI的中断检查,命令格式如下: SET_PCI_ABORT 第八条命令为Pause帧响应命令,此命令可用于打开测试平台对Pause帧的检测响应功能,命令格式如下: SET_PAUSE_ON 第九条命令为配置DMA通道命令,用以配置DMA操作,命令格式如下: SET_DMA_CHANNEL 第十条命令为配置DCB链命令,用以配置DCB链完成一次DMA操作,命令格式如下: SET_DCB_CHAI

20、N EOC 芯片配置命令实现对芯片内部寄存器和表项的配置和访问,共14种命令,命令格式如下: 第一条命令为写配置空间寄存器命令,命令格式如下: CWRITE 第二条命令为读配置空间寄存器命令,命令格式如下: CREAD 第三条命令为写直接映射寄存器命令,它执行对直接映射寄存器的写操作.写操作可以有两种模式:根据寄存器地址访问以及根据寄存器名称访问.两种模式使用两种不同的命令格式,编写配置流时可以根据需要在两种模式中进行选择. 按寄存器地址访问命令格式如下: DWRITE 按寄存器名称访问,分为按字段访问和整体访问两种格式.按字段访问命令格式如下: SET_DIRECT_REG EOC 按寄存器

21、名称访问,对整体访问,即将32位的寄存器值作为整体来写入,命令格式如下: SET_DIRECT_REG EOC 第四条命令为读直接映射寄存器命令,它执行对直接映射寄存器的读操作. 按寄存器地址访问命令格式如下: DREAD 按寄存器名称访问命令格式如下: GET_DIRECT_REG 第五条命令为写间接映射寄存器命令,它执行对间接映射寄存器的写操作. 根据寄存器地址进行访问的命令格式如下: IWRITE 根据寄存器名称按字段访问的命令格式如下: SET_INDIRECT_REG EOC 根据寄存器名称按整体访问的命令格式如下: SET_INDIRECT_REG EOC 第六条命令为读间接映射寄

22、存器命令,执行对间接映射寄存器的读操作. 按寄存器地址访问命令格式如下: IREAD 按寄存器名称访问命令格式如下: GET_INDIRECT_REG 第七条命令为插入ARL表项命令,命令格式如下: ARL_INSERT . EOC 第八条命令为删除ARL表项命令,命令格式如下: ARL_DELETE EOC 第九条命令为查找ARL表项命令,命令格式如下: ARL_LOOKUP EOC 第十条命令为进入DEBUG模式命令,命令格式如下: ENTER_DEBUG_MODE 第十一条命令为退出DEBUG模式命令,命令格式如下: EXIT_DEBUG_MODE 第十二条命令为调用缺省配置文件命令,命

23、令格式如下: LOAD 第十三条命令为写表格命令,执行对表格的写操作.写操作可以有两种模式:根据表格地址访问以及根据表格名称访问.两种模式使用两种不同的命令格式,编写向量时可以根据需要在两种模式中进行选择. 根据表格地址访问的横向命令格式如下: TWRITE 根据表格地址访问的纵向命令格式如下: TWRITE EOC 根据表格名称访问写表格命令有两种格式:多表项访问和单表项访问.多表项访问方式支持在一条写表格命令中对多个表项进行配置,这种访问方式适用于表项字段较少的场合,其命令格式如下: SET_TABLE . . EOC 根据表格名称单表项访问方式在写表格命令中仅对一个表项进行配置,这种访问

24、方式适用于表项字段较多的场合,其命令格式如下: SET_TABLE EOC 第十四条命令为读表格命令,执行对表格的读操作.读操作可以有两种模式:根据表格地址访问以及根据表格名称访问.两种模式使用两种不同的命令格式,编写向量时可以根据需要在两种模式中进行选择. 按表格地址访问,命令格式如下: TREAD 按表格名称访问,命令格式如下: GET_TABLE EOC 以上各个命令格式中的参数意义解释如下: SET_RUNTIME为命令关键字; 为仿真运行的时间.运行时间从EXIT_DEBUG_MODE命令被执行后开始计算.运行时间到达后,仿真自动停止; SET_COMMAND_WAIT为命令关键字;

25、 指示具体为多少个CYCLE; SET_PCI_INTERVAL为命令关键字; SET_INITIAL_WAIT为命令关键字; SET_PCI_ERROR为命令关键字; SET_PCI_RETRY为命令关键字; SET_PCI_ABORT为命令关键字; SET_PAUSE_ON为命令关键字; SET_DMA_CHANNEL为命令关键字; 为通道号,0-3为Packet DMA通道,4为ARL DMA通道,5为MIB DMA通道; 为复用字段,字段含义根据来确定.对于通道4和通道5,指定通道的起始地址;对于通道0通道3,指定通道的DMA方向. SET_DCB_CHAIN为命令关键字; 为DCB链

26、所属的通道号,特指Packet DMA的0-3; 为DCB链的首地址,即首个DCB的起始地址; CWRITE为命令关键字; 为配置空间地址,范围是0x000xFF,取值为4的整数倍; 为数据,位宽32bit; CREAD为命令关键字; DWRITE为命令关键字; 为写操作Burst的个数; 为连续写操作的数据,位宽32bit. SET_DIRECT_REG为命令关键字; 为寄存器的名称,在芯片方案中的寄存器列表中定义; 为整体寄存器访问命令的指示,0表示按字段访问,1表示整体访问; EOC为命令结束关键字; DREAD为命令关键字; GET_DIRECT_REG为命令关键字; IWRITE为命

27、令关键字; SET_INDIRECT_REG为命令关键字; IREAD为命令关键字; GET_INDIRECT_REG为命令关键字; TWRITE为命令关键字; SET_TABLE为命令关键字; 为表格的名称,在芯片方案中的表格列表中定义; 为表格中表项的索引值,取值范围在芯片方案中的表格列表中定义; 为表项中各字段的数据,对应表项的最高比特字段,对应表项的最低比特字段,字段的位宽应与表项定义相符; TREAD为命令关键字; GET_TABLE为命令关键字; ARL_INSERT为命令关键字; ARL_DELETE为命令关键字; ARL_LOOKUP为命令关键字; 为ARL表项的关键字VLAN

28、 ID字段; 为ARL表项的关键字MAC_ADDR字段; ENTER_DEBUG_MODE为命令关键字,其后不带任何参数. EXIT_DEBUG_MODE为命令关键字,其后不带任何参数. LOAD为命令关键字; 为缺省配置文件名,缺省配置文件定义了某些特定环境下的芯片缺省配置.缺省配置文件中可以包含除LOAD命令以外的所有配置命令. 以上篇幅介绍了这种用于描述PCI接口配置流方法的实施细节.本方法的特点在于用规定格式的纯文本方式描述PCI接口配置流,使测试向量的编写独立于特定编程语言.具体内容为PCI接口配置流由一系列配置命令组成,每一条命令对指定的资源(寄存器,内部表等)进行配置访问.仿真时

29、由配置流解释程序自动读取并分析向量文本中的各字段,按要求生成配置命令流,并传递给接口仿真模块进行仿真,极大的提高了验证效率. 5 建立自动化验证环境 在参考模型建立的基础上利用脚本可以使得验证环境更加易于操作和控制,自动完成从建立环境,编译运行到结果分析的整个验证过程. 图5为改进的验证过程. 结果分析运行自动化验正脚本编写测试向量图5 改进的验证过程 验证工程师只需要准备测试向量,自动化验证脚本可以下载最新的,或则指定版本的验证环境,并且自动完成编译及各条向量的运行,将结果保存为可分析的形式(比如文本或波形).验证工程师可以调用自动化分析脚本,对结果进行分析,打印分析报告. 由此可见,应用本

30、发明的验证方法,验证工程师的工作量和出错率都大大降低.验证工程师可以在完成测试向量的准备后,通过键入一条或几条指令完成整个验证过程,在运行完毕后,同过键入一条或几条指令完成结果的分析,得到正式的分析文档.整个过程由机器完成,其出错率被降为最低. 图6为通过简化前后验证人员需要操作的接口指令的对比: 编译待测设计文件编译参考模型文件更新待测设计文件更新参考模型文件更新向量1文件运行向量1仿真分析向量1仿真结果更新测试环境文件运行向量2仿真运行向量n仿真分析向量2仿真结果分析向量n仿真结果更新向量2文件更新向量n文件int -t runc -t runs -t -v cktest -t 传统验证方

31、法自动化验证方法图6 接口指令对比框图 以交换芯片的前端验证为例,其自动化验证方法实施的细节如下. 首先,验证人员通过int指令创建或则更新验证环境,指令执行后环境所包含的待测设计文件,参考模型文件及验证平台文件都更新到最新版本或指定版本. 然后,验证人员通过runc指令完成对验证环境的编译. 接着,验证人员通过runs指令控制验证环境运行单条或多条向量. 最后,运行完毕后,验证人员通过cktest指令完成对结果的分析,并打印出分析结果保存. 可见,整个繁琐的验证过程缩减到以上四步完成. 以下为使用到的主要脚本指令及参数. 1. int命令用于建立集成仿真环境,int的意思是integration 参数如下: int -t -rm -rtl -tb -vt -mo -novt -t 指定集成验证环境名. -rm 更新参考模型代码. -rtl 更新待测设计代码. -tb 更新测试平台代码. -vt 更新测试向量. -mo 更新监测文件代码. -novt 更新除开向量的所有源文件. 2. runc命令用于编译验证环境. 参数如下: runc -t -rm -rtl -sw -m -g -fsdb -t 指定集成验证环境名. -rm 只编译