基于VMM驗證方法學的MCU驗證環(huán)境

隨著設(shè)計的復(fù)雜程度不斷增加，要求把更多的資源放到驗證上，不但要求驗證能夠覆蓋所有的功能，還希望能夠給出大量的異常情況來檢查DUT對應(yīng)異常的處理狀態(tài)，這在傳統(tǒng)測試方法下往往是難以實現(xiàn)的。此外，設(shè)計不斷地重用，而驗證也希望能夠重用一樣的驗證模塊，這就催生了層次化的驗證方法。Synopsys的 VMM驗證方法學提供了基于SystemVerilog的驗證方法，包括了有約束的隨機數(shù)生成，層次化的驗證結(jié)構(gòu)，以及以功能覆蓋率為指標的驗證流程。在本文中，圍繞Synopsys的VMM(Verification Methodology Manual)構(gòu)建了一個MCU驗證環(huán)境。

2 DUT

在這個環(huán)境中驗證了一個8位MCU，該CPU時鐘周期即為指令周期，兼容MCU指令集，包含8位的運算邏輯單元，包含了ACC、B、PSW等常用的寄存器，4組R0-R7的R寄存器，支持直接，間接尋址，支持位操作，跳轉(zhuǎn)指令可以為8位有符號相對地址跳轉(zhuǎn)或者11位，16位無符號絕對地址跳轉(zhuǎn)。

4個優(yōu)先級12個中斷，中斷包括外部輸入中斷，以及串口和計數(shù)器等的內(nèi)部中斷，15位可編程Watchdog，另外包含程序ROM接口，外部RAM接口，內(nèi)部RAM以及SFR接口。MCU本身并不包含memory，所有的ROM以及RAM都是通過外部接口進行通信，這里在VMM環(huán)境里實現(xiàn)了行為級的 memory model，來保存程序代碼和數(shù)據(jù)。

這個MCU也是在原有基礎(chǔ)上改進了指令周期，減少了大部分指令執(zhí)行所需的指令周期。因為部分指令所需要的指令周期的縮短，很多原有采樣和賦值時間相應(yīng)發(fā)生較大變化，在功能驗證的基礎(chǔ)上，需要關(guān)注是否因此對下一條指令產(chǎn)生影響，特別是中斷和部分指令同時發(fā)生時的一些特殊情況。

MCU的指令執(zhí)行都會通過讀寫RAM memory來實現(xiàn)，另外所有的外設(shè)都會通過配置SFR memory來啟動相應(yīng)功能，并會對相應(yīng)的SFR置位來顯示外設(shè)的工作結(jié)果或是狀態(tài)，這里RAM memory和SFR memory內(nèi)容就是需要關(guān)注的檢測點，只要保證RAM memory以及SFR memory內(nèi)容的正確，就可以驗證MCU的所有功能正確。

3 基于VMM的MCU驗證結(jié)構(gòu)

基于VMM的MCU驗證就需要充分利用VMM的特點，即為有約束的隨機數(shù)生成、自動數(shù)據(jù)對比檢查，和功能覆蓋率收集。

3.1 有約束的隨機指令生成

傳統(tǒng)的MCU驗證，需要寫匯編代碼，注入MCU程序ROM進行仿真，匯編代碼的質(zhì)量和覆蓋率是影響驗證的主要因素。除了可以將應(yīng)用程序作為 TestCase，只能根據(jù)驗證目標編寫對應(yīng)的TestCase。這樣的TestCase屬于Direct TestCase，只能覆蓋一部分功能，尤其是MCU有指令組合的情況，以及除了ALU單元的外設(shè)單元，當外設(shè)單元與內(nèi)部指令并行工作，Direct TestCase往往是不能滿足要求的。這里，VMM提供了有約束的隨機數(shù)生成，可以將MCU指令集進行分類，將同一格式的指令歸為一類，這樣可以通過一定的約束隨機的生成指令以及指令所需的參數(shù)，在下一節(jié)的指令類中會詳細講解關(guān)于指令的分類與生成。指令生成后，實現(xiàn)了一個匯編器，這個匯編器是由C代碼實現(xiàn)的，通過DPI將MCU的C模型接入驗證環(huán)境中，這樣生成的匯編指令可以實時轉(zhuǎn)化為16進制代碼，并且直接讀入MCU的ROM進行仿真。隨機指令生成，可以添加節(jié)省人力，并且給出更加特殊的TestCase，此外還可以對易錯的情況添加額外的約束，讓邊緣情況測試幾率更大，從而做到更多的驗證。

3.2 自動數(shù)據(jù)對比檢查

寫匯編代碼，讀入程序ROM，通過仿真來觀測結(jié)果，結(jié)果的正確性通過波形觀察，這種驗證方法測試數(shù)量比較有限，只能在人力控制范圍內(nèi)進行驗證，不適合于遞歸以及大量TestCase的驗證。此外，在以往的MCU驗證中，一旦發(fā)生功能錯誤，真正的錯誤點有可能是多個指令之前，需要往前查找波形，往往 debug時候查找問題源會耗費大量時間，甚至有些深層次的問題因為不屬于驗證目標，或者不在觀測點內(nèi)，往往會被忽略。在環(huán)境里，已經(jīng)引入的隨機的指令生成，這就需要一個參照模型能夠生成對應(yīng)的參照結(jié)果。這里實現(xiàn)一個用C語言描述的MCU參照模型，同樣通過DPI將MCU的C模型接入驗證環(huán)境中，這個模型以16進制代碼作為輸入，可以在每一條指令執(zhí)行寫出一個參照結(jié)果。MCU的都是通過RAM保存數(shù)據(jù)，SFR寄存器來保存狀態(tài)，可以通過對比memory中的數(shù)據(jù)，來保證MCU的每一條指令的工作狀態(tài)都是和參考模型是一致的。而且每次添加TestCase后都不需要觀測波形或是生成參照結(jié)果，甚至可以直接將應(yīng)用程序放入環(huán)境中加以測試。在環(huán)境里通過C參考模型寫出的每一條指令后的狀態(tài)會保存下來，由ScoreBoard來讀入，環(huán)境可以讀出MCU執(zhí)行程序 ROM后RAM和SFR的值并傳遞給ScoreBoard，由ScoreBoard來進行自檢，并且在log中寫出自檢結(jié)果。

3.3 功能覆蓋率收集

在Direct TestCase下，匯編代碼都是特定目的的測試代碼，所關(guān)注的寄存器狀態(tài)，或是真實指令執(zhí)行情況往往很難統(tǒng)計，代碼覆蓋率能提供的信息相當有限。在 VMM環(huán)境中，可以通過模型的執(zhí)行結(jié)果來統(tǒng)計指令的執(zhí)行情況，因為模型和RTL是功能一致的，內(nèi)部數(shù)據(jù)每條指令之后都會對比自檢，可以將模型運行的結(jié)果和模型內(nèi)部對應(yīng)的SFR狀態(tài)位作為功能覆蓋率收集點，將關(guān)注的功能寫為覆蓋率模型，在仿真中自動收集，并在仿真所有TestCase后將覆蓋率結(jié)果合并在一起，給出一個最終的功能覆蓋率，這里要求功能覆蓋率和代碼覆蓋率都為100%。

4 驗證功能模塊的具體實現(xiàn)

4.1 簡介

以VMM為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了一個驗證8位MCU的平臺，這個平臺可以隨機生成一系列的指令，并且在每個指令后進行自檢。下面就這個平臺的詳細實現(xiàn)加以介紹，4.2小節(jié)將會介紹隨機指令生成，以及Scenario約束的實現(xiàn)，4.3小節(jié)將會介紹Driver部分，這里Driver實現(xiàn)了Transactor的任務(wù)，除了實現(xiàn)匯編，將16進制代碼讀入ROM模型中，還要調(diào)用MCU的C模型并產(chǎn)生結(jié)果供后續(xù)ScoreBoard對比。 4.4小節(jié)將會介紹MCU的C模型，C模型行為是直接影響MCU是否正確的保證。4.5小節(jié)將會介紹memory模型的實現(xiàn)，包括Internal SFR、Internal RAM、External SFR以及External RAM。4.6小節(jié)介紹過于ScoreBoard的自檢機制，以及自動終止仿真的方法。4.7小節(jié)將會介紹關(guān)于功能覆蓋率模型的建立。

4.2 指令數(shù)據(jù)包以及Scenario Generator

在VMM環(huán)境中，所有的數(shù)據(jù)都是擴展vmm_data得到，在這里首先對指令分類，相同格式的指令皆為同一類型，

分類的依據(jù)在于指令格式，例如對從工作寄存器Rn到A的操作，或是從直接地址Rx到A的操作，這樣可以通過約束一個種類來隨機化指令格式，生成指令格式以后可以根據(jù)指令格式來填入相應(yīng)的隨機值。首先就是約束指令格式對應(yīng)的指令，代碼如：

constraint add_mode_decide_kind{

(addr_mode==RN_A) -> kind inside {MOV， ADD， ADDC， SUBB， XCH， ANL， ORL， XRL};

(addr_mode==RX_A) -> kind inside {MOV， ADD， ADDC， SUBB， XCH， ANL， ORL， XRL};

…………}

然后約束對應(yīng)的寄存器地址，立即數(shù)，相對地址等，代碼如：

constraint inst_valid{

di_x inside {[0:255]};

reg_y inside {[0:255]};

reg_i inside {0， 1};

reg_n inside {[0： 7]};

…。}

得到了指令的格式，隨機得到指令，指令參數(shù)，在以上約束下就可以生成一條符合語法的指令。通過在TestCase中約束指令格式，或是地址數(shù)據(jù)就可以在TestCase中控制Generator生成的指令，通過變換隨機種子就可以生成不同類型的指令集合。

使用宏定義對數(shù)據(jù)類擴展就可以得到數(shù)據(jù)類的Generator和Channel：

`vmm_channel(inst)

`vmm_scenario_gen(inst， “inst”)

每次scenario Generator生成一條指令，并且通過channel傳遞給Driver。可以將一系列約束做為一個scenario，這樣可以控制指令與指令之間的關(guān)系，將一系列scenario合并可以生成更多的隨機組合，例如：

$void(scenario_kind) == R0_OP -> {

foreach(items[i]){

items[i].addr_mode inside {0，1，2，4，5，6，7，8，10，11，12，13，14，21，22，23，24，26，27，28=};

items[i].reg_x inside {0};

items[i].reg_n inside {0};

items[i].reg_i inside {0};

}

}

驗證這里能夠做到盡可能大量重復(fù)地測試某些指令的集合，以便將一些邊緣情況測到，例如實際應(yīng)用上會反復(fù)使用累加器或是反復(fù)調(diào)用R0-R7，都可以通過約束來實現(xiàn)。大量隨機的代碼測試下，可以給出更邊緣的TestCase，盡可能地測試到一些邊緣情況。

4.3 Driver

這里Driver實現(xiàn)了Transactor的功能，除了實現(xiàn)將asm代碼匯編，將16進制代碼讀入ROM模型中，還要調(diào)用MCU的C模型并產(chǎn)生結(jié)果，供后續(xù)ScoreBoard對比。

由于匯編器需要將所有指令代碼讀入進行統(tǒng)一匯編，由Generator生成的所有指令代碼在Driver中會被寫入asm文件，通過DPI調(diào)用一個匯編的 C function來處理這個asm文件，生成一個HEX 代碼文件，Driver可以讀入這個HEX 代碼，并且寫入一個用SystemVerilog實現(xiàn)的ROM模型中，另外通過DPI調(diào)用一個C的MCU仿真器，可以實時寫出每一條指令MCU的SFR、 RAM狀態(tài)，同樣這些狀態(tài)都保留在單獨的文件中，以作為ScoreBoard的輸入。

因為MCU的指令組合可以說是無法測全的，真正的測試往往要發(fā)生在應(yīng)用代碼測試上，Driver除了可以接受從channel中得到的指令，也可以直接從外部文件得到asm代碼或是16進制代碼，這樣已有的MCU測試代碼或是應(yīng)用程序都可以在這個環(huán)境中直接調(diào)用。此外，中斷的外部輸入也有隨機的數(shù)據(jù)灌入，外部端口的輸入數(shù)據(jù)也是在指令數(shù)據(jù)包中產(chǎn)生，并且由TestCase控制的。MCU工作方式的特殊性，導致Driver相對于驗證環(huán)境較為獨立，與驗證環(huán)境的接口都是磁盤文件。

4.4 C模型

環(huán)境中使用兩個C模型：匯編器和仿真器，將asm代碼匯編成為16進制代碼，并仿真16進制代碼。通過DPI調(diào)用C函數(shù)如下：

import “DPI” function void asmb_r(string in_file， string out_file);

import “DPI” function void siml(int run_for_n_ins， string in_file2， string in_file1， string in_file， string out_file， string out_file2， string out_file3， string out_file4);

如Driver所示，輸入輸出都是磁盤文件。匯編器通過查表將指令翻譯成16進制代碼，對于變量將用哈希表實現(xiàn)，通過查表替換，插入校驗碼，最后得出的16進制代碼，作為MCU的C模型仿真輸入，并且由Driver的ROM模型讀入。

仿真器輸入16進制代碼，通過先解碼16進制代碼，然后逐條執(zhí)行代碼，所有memory都是在C中實現(xiàn)，每個指令分別調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，此外還有相應(yīng)的中斷函數(shù)處理中斷，在每一條指令后寫出SFR，Internal RAM以及External RAM中的值到磁盤文件中，以作為RTL仿真的參照，C模型的結(jié)果直接影響整個驗證的準確性，因為RTL是由時鐘驅(qū)動，而C模型是不帶時序關(guān)系，有些指令的執(zhí)行結(jié)果需要根據(jù)時序做部分調(diào)整，調(diào)整模型在驗證中占去較多資源。

4.5 memory模型

MCU外圍連接了四個外部memory，包括Internal SFR、Internal RAM、External SFR以及External RAM。在驗證MCU時，memory中的值就可以保證MCU的工作狀態(tài)，因此在驗證中，MCU的外部memory都是用SystemVerilog實現(xiàn)的行為模型，除了通過interface io來響應(yīng)MCU的讀寫要求之外，還有數(shù)據(jù)通道通往ScoreBoard，這里每個MCU時鐘都會將memory值記錄下來送往ScoreBoard，由于Internal SFR、Internal RAM、External SFR僅有128 byte，數(shù)據(jù)量較小，可以每個時鐘周期來檢查，但對于External RAM有64k byte，對比或是傳輸都比較耗費資源。另外，對External RAM的操作并不多，這里實現(xiàn)的是在Testcases中約束對于External RAM的地址都為低256 byte，這樣可以有效地控制數(shù)據(jù)量并且在每個時鐘周期檢查memory狀態(tài)，另外一種可選方式是每隔一定數(shù)量的指令來對比External RAM的值，同樣對仿真影響較小。

4.6 ScoreBoard

ScoreBoard收集到從各個memory傳遞過來的memory值，因此對應(yīng)一塊memory就會有一塊ScoreBoard，對比通過讀取MCU 的C模型寫出的memory狀態(tài)值，由于MCU模型寫出的值是每條指令執(zhí)行之后的值而memory傳遞過來的數(shù)據(jù)為每個時鐘周期，這里 ScoreBoard不但要負責解讀C模型寫出的參照memory結(jié)果文件，通過參照將確認每個指令執(zhí)行時鐘周期長度，然后從memory模型傳遞過來的數(shù)據(jù)中選取該指令執(zhí)行之后一個時鐘周期的數(shù)據(jù)與參照數(shù)據(jù)進行對比，考慮到部分數(shù)據(jù)會有延遲，ScoreBoard在對比時，不僅僅考慮當前比較時間點上的數(shù)據(jù)，如果對比失敗，ScoreBoard的自檢會進入子線程，繼續(xù)讀取memory傳遞過來的數(shù)據(jù)，考慮到MCU支持指令延遲操作最多8個時鐘周期，如果在后續(xù)16個周期內(nèi)得到正確的值，ScoreBoard會認為結(jié)果正確，并且中止子線程返還檢查成功標志。

MCU指令一旦開始運行，尤其是隨機指令，指令執(zhí)行不是順序，有時會跳入死循環(huán)，很難設(shè)定仿真中止時間，這里設(shè)定了兩種機制，一種是仿真指令計數(shù)，另一種就是根據(jù)覆蓋率分析，通過VMM的覆蓋率分析函數(shù)，可以動態(tài)的得到覆蓋率情況，如果隨機指令跳入死循環(huán)，覆蓋率就會一直維持不變，每次覆蓋率分析不變就進行計數(shù)，當計數(shù)超過限定，就會讓ScoreBoard結(jié)束，通過環(huán)境對ScoreBoard的監(jiān)測，一旦ScoreBoard停止，整個仿真也會停下。

4.7 功能覆蓋率模型

對于MCU這樣的DUT，代碼覆蓋率已經(jīng)不能夠代表驗證進度，而功能覆蓋率也只能代表相當一部分待驗證的功能，這里對于基本的memory，功能覆蓋率僅要求所有位都被指令操作過，對于特殊寄存器SFR，需要指定某些特定位有相應(yīng)的“0”以及“1”狀態(tài)。代碼如下：

coverpoint memory[‘h87]

{

wildcard bins b87m_0_0 = {8’bxxxxxxx0};

wildcard bins b87m_1_0 = {8‘bxxxxxxx1};

wildcard bins b87m_0_1 = {8’bxxxxxx0x};

wildcard bins b87m_1_1 = {8‘bxxxxxx1x};

}

另外可以收集指令與指令參數(shù)的交叉覆蓋率分析，例如：

covergroup gen_port_cov;

coverpoint addr_mode;

coverpoint kind;

cross addr_mode， kind;

option.weight = 0;

endgroup

可以說對于MCU這樣的DUT，功能點很難被完全描述，但是功能覆蓋率還是提供了一部分量化指標，供驗證參考。

5 小結(jié)

本文實現(xiàn)了一個驗證MCU指令的基于VMM的驗證環(huán)境，在這個環(huán)境里不但可以使用隨機的指令生成來輸入指令，也可以使用已有的應(yīng)用程序代碼，另外提供了 memory自檢環(huán)境，可以在每一條指令執(zhí)行后檢查memory值，從最全面角度保證每條指令執(zhí)行結(jié)果是正確的。此外還提供了功能覆蓋率模型，收集覆蓋率結(jié)果。這個環(huán)境可以被復(fù)用擴展，基于這個MCU開發(fā)的軟件都可以在這個驗證環(huán)境中先運行以保證軟件的正確性。
審核編輯：彭菁