基于UVM的基帶射頻接口電路的驗(yàn)證

隨著SoC基帶芯片設(shè)計(jì)規(guī)模高度集成化，驗(yàn)證周期將不斷增加，占整個(gè)研發(fā)階段的70%[1]。為了使基帶芯片驗(yàn)證更具高效性，采用了當(dāng)前主流的UVM驗(yàn)證方法學(xué)。UVM驗(yàn)證方法學(xué)[2]是由Accellera在2011年正式推出的，創(chuàng)建的驗(yàn)證平臺(tái)不僅提供很多可用接口，而且多樣化的Cadence VIP還為UVM環(huán)境搭建提供了必要的組件。因此可以實(shí)現(xiàn)高覆蓋率的功能驗(yàn)證，使仿真驗(yàn)證時(shí)間大幅減小。

基帶射頻接口電路，是一種將基帶芯片和射頻芯片連接起來(lái)的數(shù)字串行接口。這種數(shù)字串行接口不僅節(jié)省硬件資源，而且可以通過(guò)載波聚合的方式使基帶達(dá)到較高的上下行空口峰值傳輸速率。由于復(fù)雜的私有化協(xié)議接口，必須搭建一種合適的驗(yàn)證平臺(tái)，快速全面地驗(yàn)證射頻接口電路的功能。本文將使用UVM驗(yàn)證方法學(xué)對(duì)基帶射頻接口電路模塊進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證方式將全面覆蓋射頻收發(fā)通路的所有功能點(diǎn)。

1UVM驗(yàn)證平臺(tái)

基于UVM特性的驗(yàn)證設(shè)計(jì)(Design Under Verification)，以System Verilog[3]硬件驗(yàn)證語(yǔ)言為基礎(chǔ)，通過(guò)UVM庫(kù)[4]調(diào)用各類驗(yàn)證組件，使驗(yàn)證工作分工明確。這個(gè)UVM庫(kù)主要包含以下幾部分：第一，層次化的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)。代理器(Agent)主要集合驅(qū)動(dòng)器等模塊；驅(qū)動(dòng)器(Driver)負(fù)責(zé)將生成的激勵(lì)按照規(guī)則加入到DUT的管腳或者內(nèi)部；監(jiān)測(cè)器(Monitor)檢測(cè)DUV 的內(nèi)部信號(hào)以及輸出，實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)視操作；計(jì)分板(Scoreboard)對(duì)DUV值和Model預(yù)期的值作比較；參考模型(Reference model)使用SystemVerilog建立的和DUT相關(guān)的模型，輸出期望值。第二，UVM序列器(Sequencer)[5]提供仲裁序列(Sequence)模塊，使驅(qū)動(dòng)器得到transaction類型數(shù)據(jù)包。第三，提供知識(shí)產(chǎn)權(quán)核(VIP)，保證UVM環(huán)境中的各個(gè)組件快速集成。

典型的UVM驗(yàn)證平臺(tái)如圖1所示。在驗(yàn)證環(huán)境中，uvm_env包含了全部的驗(yàn)證組件，兩個(gè)驗(yàn)證設(shè)計(jì)通過(guò)總線接口跟平臺(tái)相連。驗(yàn)證平臺(tái)按照自上而下的結(jié)構(gòu)規(guī)范，從env頂層例化了五個(gè)模塊，兩個(gè)輸入代理器模塊，一個(gè)輸出代理器模塊，一個(gè)參考模型模塊和一個(gè)計(jì)分板模塊。輸入代理器模塊先對(duì)驗(yàn)證環(huán)境進(jìn)行配置，然后通過(guò)序列器模塊將激勵(lì)源傳送至驅(qū)動(dòng)器模塊，驅(qū)動(dòng)器模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)interface傳送至從端接收者，而監(jiān)測(cè)器可以采集驅(qū)動(dòng)器給驗(yàn)證設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)信號(hào)。輸出代理監(jiān)測(cè)器模塊實(shí)時(shí)采樣驗(yàn)證設(shè)計(jì)的輸出信號(hào)，將采集到的結(jié)果放在計(jì)分板模塊，并跟參考模型模塊的輸出信息進(jìn)行比對(duì)，減小驗(yàn)證的錯(cuò)誤率，降低驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)。

2基帶射頻接口電路模塊

基帶射頻接口模塊包含射頻接口的接收通路模塊和發(fā)送通路模塊。基帶射頻接口模塊架構(gòu)圖如圖2所示。此射頻接口模塊采用AXI標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議，通過(guò)X2P轉(zhuǎn)接橋?qū)臋C(jī)地址、數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至配置模塊。其中接收通路的定時(shí)使能配置通過(guò)GPIO輸出，SPI通過(guò)配置讀寫寄存器控制外部射頻芯片，接收通路狀態(tài)是由接收控制寄存器模塊配置，在可配置的TBU時(shí)間點(diǎn)上打開和關(guān)閉射頻接收?；鶐漕l接口接收的數(shù)據(jù)流通過(guò)兩個(gè)FIFO進(jìn)行緩存，再使用兩組DMA將數(shù)據(jù)流通過(guò)AXI主機(jī)搬到基帶芯片中的存儲(chǔ)器。發(fā)送通路過(guò)程跟接收通路過(guò)程互逆，發(fā)送狀態(tài)通過(guò)發(fā)送控制寄存器進(jìn)行配置，在可配置的TBU時(shí)間點(diǎn)上打開和關(guān)閉射頻發(fā)送，基帶芯片主機(jī)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)流通過(guò)AXI總線并使用4組DMA緩存至4個(gè)FIFO中，最終發(fā)送到射頻芯片。在射頻接口收發(fā)過(guò)程中，DMA搬數(shù)任務(wù)完成后發(fā)出中斷，中斷傳入ARM處理器，使ARM處理器循環(huán)響應(yīng)，配置多次任務(wù)。如果要對(duì)FIFO的數(shù)據(jù)重新緩存，就必須清空FIFO，在可配置的TBU時(shí)間點(diǎn)上對(duì)寄存器復(fù)位，將輸出的數(shù)據(jù)從現(xiàn)在的采樣點(diǎn)寫到FIFO的起始地址上。

基帶射頻接口采用多模式多帶寬的數(shù)據(jù)接口支持相應(yīng)的接口速率，其中CMOS TDD(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體時(shí)分雙工)模式使用兩組12 bit數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)傳輸采用半雙工方式，一個(gè)時(shí)鐘周期可以發(fā)送雙天線符號(hào)數(shù)據(jù)。在CMOS FDD(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體頻分雙工)模式下，數(shù)據(jù)傳輸速率是CMOS TDD模式數(shù)據(jù)吞吐率的2倍。而LVDS(低電壓差分信號(hào))模式數(shù)據(jù)傳輸速率是CMOS TDD模式數(shù)據(jù)吞吐率的4倍。

1搭建基于UVM的基帶射頻接口電路驗(yàn)證平臺(tái)

3.1 基帶射頻接口電路驗(yàn)證流程

基帶射頻接口采用AXI總線機(jī)制分別對(duì)基帶射頻的接收通路模塊和發(fā)送通路模塊進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證流程如圖3所示。在驗(yàn)證環(huán)境中將軟件接口數(shù)據(jù)包放置于virtual sequener，通過(guò)AXI接口傳送給axi _sequencer，驅(qū)動(dòng)器會(huì)得到axi_sequence產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)，這些激勵(lì)信號(hào)分別作用于接收通路的驗(yàn)證設(shè)計(jì)和發(fā)送通路的驗(yàn)證設(shè)計(jì)。同時(shí)例化的兩個(gè)axi_monitor不僅監(jiān)視驅(qū)動(dòng)器給射頻接收和發(fā)送驗(yàn)證設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)流，而且可以監(jiān)測(cè)record model，這個(gè)record model模型通過(guò)MATLAB實(shí)現(xiàn)跟射頻接口同樣的數(shù)據(jù)傳輸功能，并把數(shù)據(jù)信息放入計(jì)分板。另一個(gè)axi_monitor監(jiān)測(cè)射頻接收和發(fā)送通路數(shù)據(jù)信息傳送至計(jì)分板的情況，一旦record model和監(jiān)控產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息都傳輸?shù)接?jì)分板，計(jì)分板將會(huì)比對(duì)兩者數(shù)據(jù)，從而判斷仿真是否異常。

3.2 基于UVM的基帶射頻接口電路驗(yàn)證平臺(tái)

基帶射頻接口電路的驗(yàn)證平臺(tái)如圖4所示。這個(gè)待測(cè)的驗(yàn)證設(shè)計(jì)主要是發(fā)送模塊和接收模塊，通過(guò)接口將驗(yàn)證對(duì)象與驗(yàn)證向量連接起來(lái)，而驗(yàn)證向量是為了實(shí)現(xiàn)跟待測(cè)對(duì)象相同的功能。其中驗(yàn)證環(huán)境中的Agent是由VIP提供，剩余組件需自行設(shè)計(jì)。驗(yàn)證環(huán)境通過(guò)頂層env例化兩個(gè)i_axi_agent，這兩個(gè)i_axi_agent包含其他驗(yàn)證組件，并將內(nèi)部的sequencer、driver以及monitor通過(guò)build_phase進(jìn)行創(chuàng)建，使得各個(gè)驗(yàn)證組件能夠緊密連接起來(lái)。這兩種i_axi_agent組件包分別作用于射頻接口的發(fā)送模塊和接收模塊，目的是為了使配置的active和passive模式能夠?qū)nterface上的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和監(jiān)測(cè)。o_axi_agnet例化模塊中的monitor可以監(jiān)視到測(cè)試對(duì)象發(fā)出的激勵(lì)數(shù)據(jù)流，通過(guò)TLM接口機(jī)制傳送到uvm_scoreboard。與此同時(shí)，由Matlab封裝的record_model模型，通過(guò)passive模式占用的moitor去監(jiān)測(cè)收發(fā)模型數(shù)據(jù)流，監(jiān)測(cè)抽取的模型數(shù)據(jù)流要與DUV產(chǎn)生的激勵(lì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比。最終對(duì)比的數(shù)據(jù)流信息通過(guò)uvm_scoreboard計(jì)分板得出結(jié)論，以此判斷基帶射頻接口在收發(fā)過(guò)程中的數(shù)據(jù)信息是否完備，統(tǒng)計(jì)覆蓋率的要求是否達(dá)標(biāo)。

基帶射頻接口內(nèi)部的各個(gè)寄存器模塊是通過(guò)APB總線傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)，而主機(jī)轉(zhuǎn)接橋X2P作為通用IP給寄存器分配可用的地址空間。這些寄存器模型可以在內(nèi)部通過(guò)多次例化，主要為射頻的收發(fā)通路提供使能信息。而DMA模塊是為了讓射頻收發(fā)模塊的激勵(lì)信息搬至正確的memory中，一旦搬完有限幀數(shù)據(jù)流，就會(huì)產(chǎn)生中斷信息，中斷信息會(huì)進(jìn)入ARM處理器，內(nèi)核發(fā)出指令阻止射頻收發(fā)。SPI模塊的引入能夠使射頻收發(fā)正常讀寫FIFO，同時(shí)為外部的射頻子板提供模式切換功能。但是基帶射頻接口內(nèi)部的模式切換卻要采用mode寄存器模塊。而這些寄存器模塊都是為了給射頻收發(fā)通路提供隨機(jī)約束，得到滿足要求的激勵(lì)。

射頻收發(fā)通路的隨機(jī)約束信息需要通過(guò)ARM處理器的軟件環(huán)境進(jìn)行配置，將約束項(xiàng)目存放在transation數(shù)據(jù)包中,使數(shù)據(jù)激勵(lì)能夠成為驅(qū)動(dòng)射頻收發(fā)通路的條件，便于射頻收發(fā)模塊正常工作。同時(shí)這些約束項(xiàng)目申明了約束變量，變量列表如表1所示。

axi_sequencer將激勵(lì)源傳輸給驅(qū)動(dòng)器axi_driver，axi_driver需要進(jìn)行軟件配置才能夠驅(qū)動(dòng)待測(cè)模塊。生成射頻收發(fā)驅(qū)動(dòng)配置信息的時(shí)序圖如圖5所示。軟件配置環(huán)境如下：(1)對(duì)射頻通路進(jìn)行初始化，將接收和發(fā)送通路都打開，rx_path_mask設(shè)置為3 bit，tx_path_mask設(shè)置為15 bit。在此還應(yīng)進(jìn)行模式切換，分別對(duì)rx_mode和tx_mode進(jìn)行軟件配置選擇接口是工作在CMOS TDD模式、CMOS FDD模式還是LVDS模式下。(2)時(shí)鐘頻率配置為了控制外面LPCU模塊來(lái)滿足符合要求的相應(yīng)帶寬的接口頻率。(3)配置接收和發(fā)送通路使能信息，enable提供接收通路數(shù)據(jù)源的起始信息，tx_on提供發(fā)送通路數(shù)據(jù)源的位置信息，txnrx則為RFIC仿真模型提供發(fā)送通路使能信號(hào)。(4)輸入DMA地址和DMA長(zhǎng)度，使基帶芯片的memory能夠發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，一旦數(shù)據(jù)流信息獲取完畢發(fā)出中斷dmareq，通知微處理器(arm)等待下次幀數(shù)據(jù)處理，只有當(dāng)使能信息enable、tx_on、txnrx變成低電平，數(shù)據(jù)傳輸才能結(jié)束。(5)配置SPI讀寫寄存器，控制外部射頻子板的模式切換，跟基帶射頻接口模式保持一致。

record model作為MATLAB封裝下的模型，這個(gè)模型包含了收發(fā)數(shù)據(jù)源模塊、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換模塊、定時(shí)寄存器模塊、時(shí)鐘源模塊以及收發(fā)數(shù)據(jù)寄存器模塊，收發(fā)數(shù)據(jù)寄存器模塊的數(shù)據(jù)流會(huì)通過(guò)scoreboard調(diào)用的寫函數(shù)存入FIFO中，然后調(diào)用比較函數(shù)將存入FIFO的數(shù)據(jù)流與DUV中的數(shù)據(jù)流進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)一致，則驗(yàn)證通過(guò)；否則，驗(yàn)證失敗。之所以采用這樣的比較方式，是因?yàn)樵趶?fù)雜的數(shù)據(jù)比對(duì)中更加提高驗(yàn)證的準(zhǔn)確性，并使參考模型合理化分析射頻接口電路功能的完備性與可靠性。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果

本次驗(yàn)證主要以RFIU TDD 20 M測(cè)試?yán)秊槔?，?duì)射頻收發(fā)的功能點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)各個(gè)功能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功能覆蓋率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到射頻收發(fā)模塊功能覆蓋率為100%，并分別對(duì)射頻收發(fā)通路的RTL進(jìn)行代碼覆蓋率統(tǒng)計(jì)，得到代碼覆蓋率為100%。通過(guò)UVM驗(yàn)證，對(duì)比計(jì)分板上的數(shù)據(jù)和record_model參考模型的數(shù)據(jù)，發(fā)揮monitor自動(dòng)監(jiān)測(cè)的作用，監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)比對(duì)的一致性為100%。其余幾種測(cè)試?yán)墓δ芨采w率能達(dá)到100%，并在計(jì)分板上得出的數(shù)據(jù)比對(duì)度為100%，從而可以說(shuō)明射頻接口收發(fā)模塊的功能需求都已達(dá)到。

根據(jù)Synopsys的Design Compile工具對(duì)射頻接口電路的RTL代碼進(jìn)行綜合，得到射頻接收通路的約束面積為0.3 mm2，功耗為39 mW；射頻接口電路發(fā)送通路的約束面積為0.5 mm2，功耗為58 mW。設(shè)計(jì)綜合報(bào)告如圖6所示。

4結(jié)束語(yǔ)

UVM作為數(shù)字IC驗(yàn)證最前沿的方法學(xué)，盡管前端仿真搭建平臺(tái)的周期較長(zhǎng)，但是執(zhí)行效率很高，明顯縮短整個(gè)研發(fā)的驗(yàn)證時(shí)間。本文利用AXI總線驗(yàn)證組件搭建基于UVM的基帶射頻接口電路驗(yàn)證平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了射頻接口收發(fā)模塊功能，在一定范圍內(nèi)，控制了約束面積和功耗，有利于整個(gè)基帶芯片順利量產(chǎn)。同時(shí)將這種驗(yàn)證架構(gòu)用在基帶芯片其他模塊上，能夠提高驗(yàn)證效率，并使基帶射頻接口電路的UVM驗(yàn)證平臺(tái)發(fā)揮著重要的指導(dǎo)作用。在數(shù)字接口設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。