SoC互連的功能和性能驗(yàn)證

驗(yàn)證互連知識產(chǎn)權(quán) （IP） - 將片上系統(tǒng) （SoC） 中的內(nèi)核和 IP 塊粘合在一起的“粘合劑” - 對于高級 SoC 變得更加復(fù)雜，這需要特殊的互連 IP 來執(zhí)行片上通訊功能。因此，這些 SoC 互連的功能和性能驗(yàn)證已經(jīng)達(dá)到了新的復(fù)雜程度。已經(jīng)開發(fā)了一些工具來簡化驗(yàn)證，同時使設(shè)計工程師能夠在設(shè)計周期的早期發(fā)現(xiàn)和修復(fù)互連問題。

還記得工程師過去可以依靠總線在芯片中執(zhí)行片上通信功能的日子嗎？那些日子顯然已經(jīng)成為過去，尤其是在我們?nèi)找婊ヂ?lián)的世界需要我們的芯片提供更多功能的情況下。當(dāng)今先進(jìn)的 SoC 需要互連來充當(dāng) SoC 內(nèi)各種 IP 內(nèi)核的通信中心?？紤]到主機(jī)和從機(jī)的數(shù)量、不同的協(xié)議、不同類型的事務(wù)以及涉及的多層拓?fù)?，?yàn)證 SoC 互連的功能和性能可能是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。使用工具和技術(shù)的更全面的方法可以簡化驗(yàn)證 SoC 互連功能和性能的過程。

通過功能驗(yàn)證防止意外

通過功能驗(yàn)證，設(shè)計人員希望確保多核芯片實(shí)現(xiàn)所需的功能，同時以相對順暢的方式處理錯誤。從實(shí)際的角度來看，設(shè)計人員希望驗(yàn)證 SoC IP 塊以及芯片的互連。這里有兩個步驟。首先是通過驗(yàn)證 IP 驗(yàn)證 IP 塊是否正確實(shí)現(xiàn)了給定的接口協(xié)議，這可以警告任何協(xié)議違規(guī)。驗(yàn)證 IP 監(jiān)控仿真結(jié)果并根據(jù)協(xié)議規(guī)范執(zhí)行極端情況測試；在此過程中，帶有嵌入式斷言的驗(yàn)證 IP 可以自動檢測協(xié)議違規(guī)。此外，IP 中的測試套件和驗(yàn)證計劃可以使驗(yàn)證過程快速結(jié)束。

使用互連驗(yàn)證 IP 塊的第二步是驗(yàn)證命令和數(shù)據(jù)是否會以正確的格式到達(dá)正確的目的地。設(shè)計人員需要注意諸如數(shù)據(jù)拆分、擴(kuò)大規(guī)模和縮小規(guī)模等問題。這很重要，因?yàn)榛ミB子系統(tǒng)上的不同接口使用不同的協(xié)議；例如，作為一系列 APB 傳輸進(jìn)入互連的數(shù)據(jù)事務(wù)可以在目標(biāo)端口作為 AXI 突發(fā)輸出。還應(yīng)驗(yàn)證諸如窺探對話、窺探傳播、窺探過濾器操作和跨緩存行等操作。換句話說，他們應(yīng)該確保高速緩存一致性互連正確地發(fā)揮其作為一致性管理器的作用。為了節(jié)省遠(yuǎn)程內(nèi)存訪問時間，相干互連窺探相關(guān)主設(shè)備的緩存，并根據(jù)它們的響應(yīng)，確定是從緩存中返回請求的數(shù)據(jù)還是從遠(yuǎn)程內(nèi)存中返回請求的數(shù)據(jù)，并相應(yīng)地更新相關(guān)主設(shè)備的緩存行狀態(tài)。這種行為是由一致性協(xié)議定義的。如果互連不遵循協(xié)議，系統(tǒng)將很快進(jìn)入非連貫狀態(tài)并很可能崩潰。

通過性能驗(yàn)證滿足帶寬和延遲目標(biāo)

性能驗(yàn)證是設(shè)計人員應(yīng)確保設(shè)計滿足其目標(biāo)帶寬和延遲水平的地方?？紤]具有多個互連的 SoC 設(shè)計，以防止局部流量影響設(shè)備的其余子系統(tǒng)?；ミB IP 在這里發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樗梢哉{(diào)整每個端口以獲得獨(dú)特的總線寬度、地址映射和時鐘速度。通常，還有一些機(jī)制可以調(diào)整帶寬和延遲，以調(diào)整每個域中的互連 IP。

但是，仍然存在會發(fā)生流量沖突的情況，如圖 1所示。在這些情況下如何平衡流量？大多數(shù)系統(tǒng)沒有足夠的主存帶寬來容納同時處于活動狀態(tài)的所有 IP 塊。重要的是防止一個 IP 塊支配和壓倒其他 IP 塊；否則，系統(tǒng)性能會下降。在這種情況下，性能分析可能會有所幫助，從而最大限度地減少系統(tǒng)性能下降的影響。

圖 1：流量管理和系統(tǒng)性能。在此圖中，三個子系統(tǒng)正在嘗試同時訪問主存儲器。性能分析有助于評估 SoC 圖是否需要重新配置。

為了分析性能，設(shè)計人員需要比較來自不同 SoC 架構(gòu)或不同 SoC 用例的帶寬和延遲測量值。這種比較涉及對兩個或多個（通常是幾個）SoC 架構(gòu)（或特定架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)）進(jìn)行建模、運(yùn)行仿真和測量性能，手動執(zhí)行這些操作是不切實(shí)際的。畢竟，手動工作將需要圍繞比較下的各種 SoC 架構(gòu)構(gòu)建測試平臺。對于復(fù)雜的 SoC（其中性能分析和調(diào)整最為重要），對于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師來說，創(chuàng)建必要的測試平臺可能需要幾天時間，而對于經(jīng)驗(yàn)不足的工程師來說則需要更長的時間。

績效分析的五個重點(diǎn)領(lǐng)域

為了使績效分析盡可能有效和高效，您應(yīng)該努力將五個方面整合到流程中：

周期精確建模——利用周期精確度，邏輯仿真產(chǎn)生與在實(shí)際芯片中看到的具有相同時序的相同事件順序。周期精確的仿真模型包括在 SoC 設(shè)計過程中創(chuàng)建的 RTL 級 Verilog 或 VHDL。

自動 RTL 生成——自動生成的互連 RTL 是朝著創(chuàng)建完整的 SoC 周期精確模型邁出的一步。為了確定提供最佳整體性能的組合，設(shè)計人員需要能夠快速生成互連 IP 的多種變體。

驗(yàn)證 IP – 如前所述，驗(yàn)證 IP 有助于發(fā)現(xiàn)協(xié)議違規(guī)。

測試臺生成——自動生成測試臺可以節(jié)省數(shù)周的時間，否則開發(fā)可能會花費(fèi)數(shù)周時間來創(chuàng)建互連測試環(huán)境。

深入分析——收集所有仿真數(shù)據(jù)（設(shè)計評估、測試臺和流量）的能力對于調(diào)試性能問題和確定設(shè)計更改可能如何影響帶寬和延遲是必要的。

圖形互連仿真比較

已經(jīng)開發(fā)了一種工具，它提供了一種圖形方式來比較互連仿真運(yùn)行，以便快速準(zhǔn)確地評估互連性能。Cadence Interconnect Workbench 有助于在設(shè)計周期的早期發(fā)現(xiàn)和修復(fù)互連問題，以達(dá)到 SoC 所需的帶寬和延遲水平。使用該工具，其流程如圖 2 所示，工程師可以拋開繁瑣的電子表格，利用帶有內(nèi)置過濾器的 GUI 來選擇主設(shè)備和/或從設(shè)備以及評估和執(zhí)行“假設(shè)”分析的路徑。GUI 可以讓您快速輕松地了解設(shè)計更改如何影響感興趣的仿真結(jié)果的帶寬和延遲。例如，工程師可以比較并找到特定用例或在單個配置上運(yùn)行的多個用例的理想配置。他們可以快速查看到每個從站的流量比例以及它們的延遲分布情況。實(shí)時過濾和分析功能消除了電子表格可能非常繁瑣的過程。

Interconnect Workbench 與 Cadence Interconnect Validator 集成，這是一個驗(yàn)證 IP 組件，可收集所有事務(wù)并在數(shù)據(jù)通過 SoC 互連結(jié)構(gòu)時驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性和完整性。互連驗(yàn)證器連接到所有接口級驗(yàn)證 IP 實(shí)例（它們正在監(jiān)視 IP 塊的正確協(xié)議行為），因此對進(jìn)出互連的數(shù)據(jù)和命令有深入的了解。通過匹配這些數(shù)據(jù)，該工具可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否被傳送到正確的目的地。如果互連不遵循協(xié)議，則會發(fā)出錯誤。

圖 2：通過 Cadence Interconnect Workbench 的數(shù)據(jù)流。在左側(cè)，RTL、驗(yàn)證 IP 和流量模式描述移至工具中，該工具會自動生成用于仿真的測試平臺。當(dāng)生成 SoC 的其他變體時，該工具還會生成其他測試平臺。性能 GUI 提供了模擬結(jié)果的概覽。

高效且有效的互連驗(yàn)證

面對持續(xù)不斷的上市時間壓力和日益復(fù)雜的 SoC 設(shè)計，很難找到不想從設(shè)計周期中縮短時間的工程師。特別是在高級節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)證 SoC 互連已成為一個耗時的步驟。但是，工具現(xiàn)在可以高效且有效地執(zhí)行周期精確的性能分析和互連驗(yàn)證。

作者：Nick Heaton，Avi Behar

審核編輯：郭婷