基于VMM構(gòu)建的驗證平臺在AXI總線協(xié)議SoC中的應用研究

1．引言

芯片驗證（VerificatiON）越來越像是軟件而不是硬件工作。這點已逐漸成為業(yè)界的共識。

本文以軟件工程的視角切入，分析中科院計算所某片上系統(tǒng)（SoC）項目的驗證平臺，同時也介紹當前較為流行的驗證方法，即以專門的驗汪語言結(jié)合商用的驗證模型，快速建立測試平臺（test-bench）并在今后的項目中重用（reuse）之。

文中提及的高級驗證語言、方法學、驗證基本庫和仿真模型，這一套方法在近幾年中，正逐漸為業(yè)界廣為采用。計算所的工作，就是以這些最新成果為起點，對基于AXI總線協(xié)議的SoC，建立測試平臺。

這種新方法可大幅度提高芯片驗證的效率，尤其使項目初期的投入極大地降低。原因之一是，面向?qū)ο?a target="_blank">編程等軟件工程方法的大量引入。當然，這也對驗證工程師的技能提出了新的要求。

2．驗證方法

在驗證領(lǐng)域，顯見的趨勢是語言劃一、仿真平臺統(tǒng)一、更加正規(guī)和高效。以本文介紹的項目為例，語言是SySTemVerilog，平臺則基于VMM構(gòu)建，更有Verification IP助力，大幅提升了效率。正是因為部件可重用、半臺結(jié)構(gòu)化、以覆蓋率驅(qū)動和高度自動化等特點，驗證工作也愈加正規(guī)，有流程可循。

專門的驗證語言，面世已有數(shù)年之久。它們出自于傳統(tǒng)的純粹Verilog（有時，部分引入C／C++）描述的驗證系統(tǒng)，并有很大發(fā)展：Vera、e語言和目前已成IEEE標準的SystemVerilog就足這段時期技術(shù)創(chuàng)新的成果。

面向?qū)ο缶幊蹋∣bject-Oriented Programming）特性，溯其源頭便是C++語言。早在純Verilog語言驗證的時代，已有利用C++開發(fā)可重用驗證代碼的做法。工程師們看中的恰是OOP的封裝、繼承、多態(tài)、及可重用等優(yōu)異特性。

驗證語言沒有相應函數(shù)庫的支持，語言本身也很難發(fā)揮效力。舉一個大家熟知的例子，視窗（Windows）編程中，使用C語言直接調(diào)用視窗系統(tǒng)的編程接口（APT）實現(xiàn)，是較為傳統(tǒng)的做法，可目前卻鮮有視窗程序員這樣應用。為什么？工作量巨大，需維護的信息太多，從窗口尺寸，菜單列表，到程序算法，都要加以考慮。因而作為解決方案之一的微軟基本庫（MFC）才得以大行其道。與之相得益彰的是，C++作為微軟基本庫的描述語言，也隨視窗系統(tǒng)的傳播，廣為流行開來。

現(xiàn)代芯片驗證領(lǐng)域，無例外地也出現(xiàn)了類似狀況。大量新方法、新模型、新類庫，不斷涌現(xiàn)，減輕了驗證工程師們重復開發(fā)底層代碼的負荷，將更多精力投入到實際項目上。這一套新思路中，主要構(gòu)成部分便是驗證語言（如Vera、SystemVerilog）、驗證基本庫（RVM、VMM），和相應的驗證模型（Verification IP）。

3．VMM的應用

VMM不儀是方法學，更是該方法的具體實現(xiàn)。它包括一系列的類庫（class library）、類對象（ob-ject）聯(lián)接關(guān)系，以及用戶定制的代碼。

如圖1所示的測試平臺中，各部件（component），或即對象，是VMM基本類／擴展類的實例化（Instantiate）。所涉及到的VMM基本類有vmm_xactor、vmm_scenario_gen和vmm_data等。

聯(lián)接各部件，構(gòu)成一個整體還需要其他一些基本類，包括vmm_env、vmm_channel以及vmm_xactor_callbacks等。

除此之外，用戶要根據(jù)芯片的實際狀況，添加或修改約束條件（constraint）、接口聯(lián)線（interface）、執(zhí)行步驟、覆蓋率定義和自動比對機制（au-to-check）。

3.1 背景

該種類型的驗證平臺充分利用了軟件工程的成果，將整個測試平臺按照所實現(xiàn)的功能，分門別類予以切割，實現(xiàn)各模塊獨自開發(fā)、分別維護。

目前，芯片規(guī)模趨于龐大，協(xié)議愈形復雜，通常要傳遞海量數(shù)據(jù)，并擁有數(shù)目繁多的端口。如果還以先前純Verilog的方式建立驗證系統(tǒng)，將很難滿足芯片開發(fā)、投片的進度。

極而言之，簡單地激勵DUT輸入端口、監(jiān)控相應的輸出端口和編寫臨時性的代碼來做數(shù)據(jù)比對，這種驗證方法已相當落后了。當然，我們也看到：對某些結(jié)構(gòu)簡單的芯片還有一定市場，純粹Verilog語言的驗證平臺也可以做到非常復雜（但是，很難維護），并且學習面向?qū)ο缶幊痰拇鷥r容易令人望而卻步。但這些都是主流之外的個例，故對此本文不深入展開。

現(xiàn)代驗證系統(tǒng)，盡管包含數(shù)量眾多的模塊、多樣的數(shù)據(jù)類型／協(xié)議及各模塊間復雜的信息傳遞（保持同步、共享數(shù)據(jù)等），它仍然是繼承傳統(tǒng)方法，歸納以往的驗證經(jīng)驗，依照慣常的步驟建立測試平臺。

VMM方法也概莫能外。依照通常的流程，它為所有應用VMM的測試平臺，設定了九個步驟，定義在 vmm_env 中 ：gen_cfg、build、reset_dut、cfg_dut、start、wait_for_end、stop、cleanup和report。

另一方面，VMM平臺的架構(gòu)，按抽象層次劃分，由以下部件組成：測試例（Test）、場景發(fā)生器（gen-erator）、驅(qū)動部件（driver）、監(jiān)控部件（monitor）、數(shù)據(jù)比對部件（scoreboard）、數(shù)據(jù)對象（data objects）、數(shù)據(jù)傳輸管道（channel）、回調(diào)函數(shù)集（callbacks）、配置總集（dut_cfg與sys_cfg）、覆蓋率統(tǒng)計部件，和聯(lián)接并集成以上所有部件的環(huán)境對象（environmentobject），如圖2所示。

VMM中各個部件的使用，可參看Synopsys與ARM共同出版的手冊。

3.2 評估標準

本所此前的驗證工作均采用高級驗證語言ve-ra，使用SystemVerilog則是第一次。VMM方法的引入，究竟能在多大程度上提高驗證效率？該項目既是實際工作，又是一次評估。

我們設定預期值是基于以下幾點考慮：

（1） 建立一個范例平臺，包含簡單的數(shù)據(jù)交易、自檢測、覆蓋率統(tǒng)計，需要多長時間？

（2） 可擴展性，即隨機測試向量的約束條件更改、自動比對機制按需求定制、功能覆蓋點的添加及AXI協(xié)議的監(jiān)控是否完備。

（3） 驗證流程可控性，如在已有的九步驟中插入額外動作；通過系統(tǒng)配置的改變，來控制各步驟執(zhí)行的順序和次數(shù)（比如一次reset多次cfg_dut以實現(xiàn)在線重復測試）。

（4） 易用性也應當考慮在內(nèi)。畢竟，VMM方法涵蓋的內(nèi)容很廣，工程師們要完全掌握仍有個過程。在無法知其所以然的時候，能不能很快地知其然，并開展工作，顯得非常重要。

后文的敘述，都將圍繞著這幾方面展開。

4 、AXI-VIP的集成

如前所述，VMM方法具備抽象分層結(jié)構(gòu)、有九個執(zhí)行步驟等優(yōu)點，但它只是一個通用的方法，能否符合前面提出的四點判定標準，還是問題。

舉例來說，計算所的AXI主設備（master）仿真模型，是以Verilog編寫的，無法在短期內(nèi)實現(xiàn)與VMM平臺的互聯(lián)；完整的AXI協(xié)議檢測，對本所第一顆基于該總線的片上系統(tǒng)，顯得尤為重要；由于時間倉促，AXI仿真模型還有待修正。

這些都是項目進程中無法回避的問題，而VMM方法本身又沒有提供解決方法。

4.1 商用驗證模型

AXI驗證模型（VIP）是Synopsys公司的商用模型，可配置，數(shù)據(jù)交易嚴格符合AXI協(xié)議，具備完整的協(xié)議檢查功能。

最重要的一點是，AXI-VIP提供與VMM平臺的接口。實際上，這個VIP本身就實現(xiàn)了VMM平臺的驅(qū)動部件（Driver）加監(jiān)控部件（Monitor）的功能：向下層是與DUT通過端口相聯(lián)，向上層則有基于vmm-channel／vmm_xactor_callbacks的數(shù)據(jù)傳輸管道。如圖2所示，除Test、Generator、和Scoreboard之外的部分，AXI-VIP都已實現(xiàn)。

這個商用模型對開發(fā)進度的實際貢獻，將取決于工程師能否快速上手。換言之，VIP的易用性決定了它的價值。

有鑒于此，Synopsys公司提供一個基于AXI-VIP的VMM范例。其中，DUT部分以AXI Bus VIP替代，TB部分實現(xiàn)了如圖2所示的分層架構(gòu)。工程師作為用戶，只需做如下修改，便能得到包含有簡單數(shù)據(jù)交易、自檢測、覆蓋率統(tǒng)計等功能的驗證平臺：

（1） 替換DUT，并修改接口信號名；

（2） 改寫測試例test_1的約束條件，得到自己的測試例；

（3） 增加對DUT的配置操作。

上述工作于一天內(nèi)完成，仿真輸出結(jié)果有波形文件、Log文件、及覆蓋率報告。

4.2 AXI-VIP支持的類

AXI VIP定義的類，都有相同的前綴名“dw_vip_axi”，它們構(gòu)成vmm_env當中的大部分：

這些類將例化產(chǎn)生主設備部件、從沒備部件、監(jiān)控部件、配置對象、數(shù)據(jù)對象、和數(shù)據(jù)傳輸管道等等。它們有著各自的變量、函數(shù)，提供了豐富的控制功能，涵蓋所有類型的操作。

功能的完備并未損害AXI-VIP的易用性，這點在項目中得到了印證。通過三天的培訓與實做，工程師們能夠通過“修改約束條件來隨機產(chǎn)生測試向量”，按照芯片測試規(guī)范改寫“自動比對機制”，添加“功能覆蓋點”，并利用AXI監(jiān)控部件“自動檢查協(xié)議”并收集與AXI協(xié)議相關(guān)的覆蓋率。

這當中，按照芯片測試規(guī)范改寫“自動比對機制”沒有現(xiàn)成的VMM基本類可用。我們是從Synopsys提供的簡單范例人手，利用AX-I-VIP提供的回調(diào)函數(shù)集，獲取數(shù)據(jù)交易信息，并實時地比對流出與流入數(shù)據(jù)。如同其他的驗證系統(tǒng)，這部分工作是最多樣化，也是最為核心的任務，所以占用三天當中的大部分時問，也在意料之中。

我們在下一節(jié)中簡單介紹本項目“自動比對機制”的實現(xiàn)。

5．基于VMM的Scoreboard實現(xiàn)

本所驗證組以VMM方法為指導，利用AXI-VIP提供的回調(diào)函數(shù)集，快速建立了該測試平臺的自動比對機制。盡管還不能最終應用在十幾個主／從設備的全系統(tǒng)中，但是，由于這部分代碼封裝在自定義的Scoreboard類當中，可重用，可擴展，并且符合VMM平臺的接口要求，可以很方便地合入將來的系統(tǒng)中。

該Scoreboard類的核心部分SystemVerilog代碼由Synopsys提供，如圖3所示。左端是主設備數(shù)據(jù)緩沖及比對，右端為從設備數(shù)據(jù)緩沖及比對，中間的1到N和N到1轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)比對任務的分配。N個從設備的比對代碼，都擴展自相同的類。正因為這種設計它是可無限擴展的?；诒卷椖恐挥袃蓚€主設備的特點，我們對左邊的結(jié)構(gòu)做了大幅度簡化。

核心的比對部分之外，關(guān)鍵任務就是實時地獲取各主／從沒備的數(shù)據(jù)流。這在AXI-VIP（也包括Synopsys公司的其他VIP）中，已經(jīng)有現(xiàn)成函數(shù)可用。本所工程師在兩天時間內(nèi)就學會使用，并結(jié)合實際完成了代碼的開發(fā)與調(diào)試。

AXI-VIP包括主設備、從設備、與監(jiān)控設備。它們在數(shù)據(jù)交易的幾個關(guān)鍵點將得到一次函數(shù)回調(diào)（callback）的機會，如表1所示。

依據(jù)這些回調(diào)函數(shù)對應的數(shù)據(jù)交易階段，我們選取主設備的post_input_channel_get、從設備的pre_output_channel_put兩函數(shù)來獲取交易數(shù)據(jù)。

其他函數(shù)也可以用來獲取數(shù)據(jù)，如監(jiān)控設備的pre_activity_channel_put，就可以得到輸入、輸出兩方面的數(shù)據(jù)。具體請參看AXI_VIP使用手冊。

另外，VMM回調(diào)函數(shù)還可以用于控制驗證流程、插入錯誤數(shù)據(jù)等等，限于篇幅，本文不再展開。

6、 結(jié)語

因為芯片驗證工作的趨勢是需要更多的軟件知識和技巧。本文以中科院計算所的SoC項目為例，講解了如何充分利甩專業(yè)的驗證語言基本庫和商用的仿真模型，快速建立測試平臺。文中詳細介紹了各部件的使用，和AXI-VIP對象如何納入VMM框架，以及這樣做的實際意義。

VMM方法基于SystemVerilog語言，提供了完整的函數(shù)庫，而作為補充的AXI-VIP，功能完備且易用性強?；谶@一新方法，本所驗證組工程師在五個工作日內(nèi)快速建立了一套可方便擴展的測試平臺。在建立新系統(tǒng)的過程中，發(fā)現(xiàn)一個沒計的漏洞，充分體現(xiàn)廠該方法的高效性。

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