IOT技術的5大驗證和挑戰(zhàn)

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)并不僅僅是一個最新時髦的詞語，它是我們每天用于與大規(guī)模網(wǎng)絡(我們稱之為“互聯(lián)網(wǎng)”)連接并由其提供支持的“事物”。從智能電話到智能城市、個人健康監(jiān)護儀到機構醫(yī)療保健系統(tǒng)、互連家居到互連汽車和交通，這一切現(xiàn)如今都是IoT的一部分；而移動設備和可穿戴設備則是它們的“領跑者”。

IoT市場的實際和預期成長也對網(wǎng)絡提供商具有重大影響。畢竟，如果沒有網(wǎng)絡基礎設施的支持，IoT也將不復存在。大型網(wǎng)絡公司面臨著與IoT開發(fā)人員相同的驗證挑戰(zhàn)和需求。

擁有更多軟件、更嚴格的功耗預算的更大、更復雜的設計，需要采用新的驗證解決方案，以應對相關的技術挑戰(zhàn)。本文探討了在驗證IoT和網(wǎng)絡設計時,傳統(tǒng)數(shù)字軟件仿真和硬件原型不符標準以及使用硬件仿真對整個驗證解決方案至關重要的原因；還說明了為什么傳統(tǒng)內(nèi)電路硬件仿真需要轉換到以軟件為中心的虛擬硬件仿真解決方案。Mentor Graphics是使用Veloce VirtuaLAB的解決方案領域的領導者。VirtuaLAB保留了傳統(tǒng)硬件仿真的所有性能、容量和能力，同時增加了顯著優(yōu)勢，包括靈活性、更高可靠性、遠程訪問、工作共享、易用性、更高投資回報以及項目管理。

技術和驗證挑戰(zhàn)

IoT和網(wǎng)絡設計的以下五大特征對公司所面臨的驗證挑戰(zhàn)具有最大的影響：每個芯片需承載更多協(xié)議、更大、更復雜的設計、較低的功耗使用要求、更多軟件，以及更多交換機和路由器端口。

1.每個芯片需承載更多協(xié)議

由于更多應用程序和功能需要同時連接到網(wǎng)絡，因此每個設備所使用的協(xié)議數(shù)量在不斷增加。例如，手機需要連接到云存儲空間、流式處理視頻和音頻、運行各種應用程序以及撥打/接聽電話和收發(fā)文本信息。所有這些協(xié)議本身已經(jīng)很復雜，由于它們與設計的其余部分之間存在如此多的通信和交互，因此它們會呈現(xiàn)出許多棘手的需要檢查甚至調(diào)試的場景和邊界情況。

將所有這些協(xié)議都置于單一SoC上會大大增加硬件復雜度。在芯片上進行內(nèi)部和外部通信的協(xié)議越多，驗證所需的周期就越長。

2.更大型的設計

較高水平的協(xié)議集成會增加復雜度和尺寸，此外，各種功能、多處理器和嵌入式軟件也會增加其復雜度和尺寸。如今的客戶要求設備可以處理越來越多的內(nèi)容，需要集成數(shù)字、音頻、語音和數(shù)據(jù)，且需要保持始終啟用、連接狀態(tài)。

集成的內(nèi)容量越高，設計中存在的并發(fā)性就越多，驗證系統(tǒng)就變得越發(fā)困難。新的驗證解決方案必須能夠處理這些可運行數(shù)十億門的大型、復雜的系統(tǒng)。

3.更低功耗

設計決策需要考慮功耗、區(qū)域和性能等因素，尤其是IoT設備的功耗。這使得系統(tǒng)級功耗分析和管理成為一項關鍵的衡量指標。能夠及早提供準確功耗分析數(shù)據(jù)的驗證解決方案對做出低功耗的設計決策至關重要。準確度取決于，在真實環(huán)境下，實際運行應用程序的SoC的功耗，這是基于測試平臺的傳統(tǒng)驗證方法不符標準的原因所在。我們需要提供一種全新的、與IoT設備設計師的需求相符的低功耗分析方法。

4.更高端的軟件內(nèi)容

在軟件仿真器上運行傳統(tǒng)軟件驗證將失去動力。軟件仿真進展太慢，無法對運行數(shù)十億周期或數(shù)據(jù)幀的SoC執(zhí)行充分的應力測試。這意味著，設計師不得不在功能方面做出妥協(xié)。他們不能完全理解系統(tǒng)或SoC中究竟發(fā)生了什么情況，因為他們無法生成和隔離可能在實際應用中導致問題的邊界情況。

同樣，較多的軟件內(nèi)容會大大增加SoC的開發(fā)成本，因為軟件的開發(fā)要求為每位硬件工程師配備五到十名軟件工程師。因此，這些軟件工程師需要盡可能高效地執(zhí)行相關驗證。

他們需要一種能夠提升OS性能的驗證解決方案，并在硬件原型可用之前于目標硬件上運行軟件應用程序。此外，此解決方案還具有執(zhí)行全面驗證軟件所需的數(shù)十億周期的容量和速度。

圖1：增加軟件內(nèi)容可推動SoC開發(fā)并節(jié)約成本。

5.增加網(wǎng)絡交換機和路由器活動

IoT正在不斷推動網(wǎng)絡發(fā)展，因為消費者需要更多的帶寬、更加豐富的多媒體，以及更多視頻流和音頻流。網(wǎng)絡公司需要以更高的帶寬、更優(yōu)異的性能計算和更多專注于內(nèi)容的應用程序來滿足此需求。以太網(wǎng)的制定和其他相關的網(wǎng)絡標準用以滿足這些需求，并通過更快速的網(wǎng)絡協(xié)議和更多端口來改善網(wǎng)絡服務。

例如，為了滿足大量網(wǎng)絡配置的需求，開發(fā)人員在研發(fā)新的網(wǎng)絡芯片時不得不將數(shù)以千計的以太網(wǎng)端口置于單個SoC上。如此一來，在一個硬件測試環(huán)境中為所有端口提供連接就變得不可能了。因此，網(wǎng)絡公司需要在軟件中采取某種方式才能做到這一點。

為IoT提供硬件仿真驗證解決方案

所有這些軟硬件都需要大量的驗證，并且這些驗證不會變得更加簡單，而只會變得越發(fā)困難。當然，來自市場的壓力正在持續(xù)迫使設備的開發(fā)時間變得越來越短，以保持競爭力。硬件仿真是提供容量、性能和周期的唯一方式，以驗證組成IoT的大型、復雜、大量軟件的設計。但是，需要為IoT量身定制新的硬件仿真解決方案。

認識到這一需求后，Mentor確定，處理這些復雜系統(tǒng)的最佳方式就是讓Veloce復制IoT公司設計的方法。這包括從其手機和其他產(chǎn)品上運行的應用程序中斷開硬件和操作系統(tǒng)。此方法是可行的，因為終端用戶往往比較關注自己想要使用的應用程序，并希望這些應用程序可以在其所擁有的任何操作系統(tǒng)或設備上都可以運行。

因此，通過Veloce硬件仿真平臺，設計師可以以他們在設備上運行應用程序相同的方式，使用Veloce應用程序來測試他們的設計(不論是哪種細分市場：存儲、網(wǎng)絡、移動、圖形)。Veloce OS為內(nèi)部或第三方開發(fā)的應用程序提供了一個硬件仿真器界面。這些應用程序可在被稱為Veloce OS的單一操作系統(tǒng)上運行。由于Veloce OS與任何版本或任何型號的Veloce硬件系列都兼容，因此用戶可輕松使用下一代平臺并能夠從中受益，這將會保護他們的投資并在公司的績效和容量需要增加時提供可擴展性。

圖2：Veloce OS及應用。

此外，Veloce OS還支持企業(yè)服務器，企業(yè)服務器可使用LSF軟件優(yōu)化資源使用量并提供工作管理。這樣，用戶可以將工作從其桌面提交到位于全球任何地方的數(shù)據(jù)中心的Veloce硬件仿真資源中。企業(yè)服務器支持在多種使用模式下為多個項目、團隊、用戶同時使用Veloce。企業(yè)服務器可確定在哪里有效地分配單個或多個項目，以確保最高效地利用Veloce資源。因此可以隨時隨地高效地訪問數(shù)據(jù)中心友好型硬件仿真系統(tǒng)。

但是，如果執(zhí)行設計所需的外圍設備和協(xié)議并非基于軟件，那么所有這些操作都將是徒勞。這便是Mentor開發(fā)Veloce VirtuaLAB的原因。VirtuaLAB已經(jīng)改變了基于SoC的硬件仿真的方式，并為企業(yè)服務器功能做好準備，將實驗室環(huán)境轉變成只需硬件仿真器和工作站來執(zhí)行協(xié)議模型軟件版本的數(shù)據(jù)中心。由于VirtuaLAB使用與ICE硬件解決方案相同的協(xié)議IP和軟件堆棧，因此可以利用軟件的靈活性和可重復結果，提供與基于傳統(tǒng)ICE驗證相同的功能，進而為用戶提供硬件準確度。

與ICE相比，其具有實實在在的優(yōu)勢：

●更高的可靠性，因為其消除了常會引發(fā)故障的外部硬件和布纜。

●通過高效的多用戶環(huán)境提供更高生產(chǎn)率，并能通過只改變其編譯參數(shù)(而不是換入/換出混亂不堪的外部硬件底盤和纜線)遠程重新配置 VirtuaLAB模型。

●利用可靠、低成本的工作站來執(zhí)行軟件模型而非連接硬件(包括昂貴的測試儀)，進而降低總體成本。

●將硬件仿真器從實驗室移入數(shù)據(jù)中心，以使多個團隊可以隨時隨地使用硬件仿真器，就像一個PC場，從而實現(xiàn)更高投資回報。

●由于基于軟件的解決方案具有較高的調(diào)試可見性并且設計人員可以訪問在物理環(huán)境中很難使用的軟件協(xié)議檢查器和分析儀，因此可實現(xiàn)更高品質。

讓我們一起來了解下基于Veloce軟件的環(huán)境如何具體地解決IoT和網(wǎng)絡開發(fā)人員面臨的五大技術挑戰(zhàn)。

協(xié)議解決方案

在某種程度上，軟件解決方案可以更加輕松地獲得準確的結果，因為硬件解決方案即使在使用相同的激勵時也可產(chǎn)生不同的結果(取決于硬件出現(xiàn)時所處的狀態(tài))。因此，在設計中為協(xié)議采用基于軟件的環(huán)境非常重要。Veloce 為多個細分市場提供協(xié)議解決方案，其中包括可提供主機/外圍設備模型、協(xié)議試驗程序/分析儀以及軟件調(diào)試連接的一系列解決方案。

大型設計

隨著設計尺寸的增加，硬件仿真容量也必須跟上節(jié)奏。Veloce利用可擴展平臺來解決這一挑戰(zhàn)。客戶最初可能會使用Veloce Quattro來滿足他們的需求。Quattro可為每個系統(tǒng)和多達16個用戶處理多達2.56億門。再進一步就是，支持多達64個用戶的十億門Veloce Maximus。Double Maximus系統(tǒng)具有多達20億門和128個用戶的容量。所有Veloce型號和版本都使用相同的Veloce OS，運行相同的應用程序，并且完全向后兼容，同時能夠提供全面的可擴展性并保護投資。

低功耗

Veloce是進行低功耗分析的一個理想平臺，因為其能夠提供高水平的準確度，這一準確度僅在真實應用環(huán)境下運行設計方能得以實現(xiàn)。Veloce具有適當?shù)乃俣群腿萘?，可以啟動OS和運行全面執(zhí)行目標軟件上運行的軟件應用程序所需的數(shù)十億周期，即使在具有數(shù)十億門的硬件上也如此。Mentor創(chuàng)建了一個動態(tài)波形API流程，直接與集成到Veloce硬件仿真器中的功率分析工具相連接。通過與行業(yè)領先、第三方功耗分析工具(例如ANSYS)集成，客戶可以在設計流程初期獲得準確的功耗，以便針對功耗、區(qū)域和性能做出明智的設計決策。這點使Veloce電源應用程序軟件比任何其他低功耗解決方案都要準確得多，其他硬件仿真系統(tǒng)是無法做到的。

軟件調(diào)試

嵌入芯片上的軟件必須與硬件同時進行驗證。硬件仿真與軟件仿真一樣擅長于調(diào)試，對于較大型的設計，硬件仿真比軟件仿真要快數(shù)千甚至數(shù)百萬倍。Veloce提供大量解決方案，以滿足軟件工程師調(diào)試其嵌入軟件之需。

Veloce通過提供虛擬探針來實現(xiàn)硬件仿真器的實時交互式調(diào)試。Veloce虛擬探針可提供與軟件調(diào)試程序的虛擬連接，無需再使用硬件JTAG探針。這不僅消除了JTAG探針的部分固有問題，還充分利用了企業(yè)服務器。然而，交互式調(diào)試可利用硬件仿真器上寶貴的連接時間，即使硬件仿真操作在主動調(diào)試期間已停止亦是如此。在調(diào)試問題期間每秒運行零個硬件周期，是使用硬件仿真器的一種昂貴方式。因此，交互式調(diào)試應僅在絕對必要時方可使用。

此外，Veloce Codelink還支持離線和重放調(diào)試。Codelink提供標準軟件開發(fā)工具的調(diào)試功能，包括軟件調(diào)試程序中運行的代碼與硬件波形中顯示的位置之間的相關性。通過Codelink軟件，硬件仿真器會生成多個數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫可離線用于調(diào)試會話。這是一個非常高效的環(huán)境，可騰出硬件仿真器用于其他任務和用戶，同時又能夠在一個或多個工作站離線執(zhí)行軟件調(diào)試。

交換機和路由器端口

成百上千個端口的設計需要與硬件擁有非常多的連接，而這些連接全都需要布線，這就使得在ICE硬件環(huán)境中驗證網(wǎng)絡交換機和路由器設計不再可行。此外，128以太網(wǎng)端口設計等通常采用數(shù)億甚至數(shù)十億個門的尺寸。

幸運的是，Veloce VirtuaLAB可通過將大多數(shù)的測試環(huán)境轉移到軟件中來克服硬件環(huán)境的障礙，并在可處理多達二十億門的可擴展Veloce平臺上運行。另外，VirtuaLAB協(xié)議解決方案還可滿足網(wǎng)絡交換機或路由器公司在驗證其芯片時的所有關鍵目標：數(shù)據(jù)包延遲、帶寬、數(shù)據(jù)包丟失、無序序列以及流量分析。

在典型的VirtuaLAB環(huán)境中，SoC將被載入Veloce硬件仿真器中。硬件仿真器通過一個或多個軟件連接與工作站上的用戶環(huán)境相連，以使工程師可與硬件仿真器中運行的DUT交互。對于以太網(wǎng)，工作站上運行的VirtuaLAB以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包生成器和監(jiān)視器(EPGM)應用程序將會生成虛擬以太網(wǎng)流量。EPGM會生成測試并對以太網(wǎng)流量提供可見性、分析和用戶控制。

圖3：VirtuaLAB EPGM設置。

結論：企業(yè)硬件仿真和IoT

憑借Veloce VirtuaLAB，Mentor可為IoT和網(wǎng)絡提供商提供全新一代的驗證解決方案。此解決方案靈活性更強、可見性更高，并且能夠根據(jù)IoT和網(wǎng)絡系統(tǒng)設計的容量和復雜度的增加而進行擴展。在提供傳統(tǒng)的ICE功能的同時，它還可提高生產(chǎn)率以及設計質量，無需額外的纜線和硬件設備。

由于所有這些功能和技術都是建立在企業(yè)硬件仿真理念之上，因此所有硬件仿真資源均位于數(shù)據(jù)中心，并可由多個團隊、用戶和項目隨時隨地進行遠程訪問。VirtuaLAB環(huán)境為所有IoT市場上的IoT設備提供軟件和硬件驗證，從而為多個協(xié)議、復雜設計、加速低功耗應用程序以及硬件—軟件調(diào)試提供高速驗證解決方案。

設計用于組成IoT和網(wǎng)絡生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品和網(wǎng)絡，需要進行大量驗證。使用硬件仿真是運行大量所需驗證周期并調(diào)試大型、復雜設計的唯一方式。利用其獨特的基于軟件的驗證解決方案和企業(yè)服務器模型，Veloce完全有能力為IoT和網(wǎng)絡設計人員提供所需的驗證級別。