SystemVerilog如何進(jìn)行有效的功能驗證

摩爾定律指出，集成芯片可容納的晶體管數(shù)目約每18個月增加一倍，性能也將提升一倍。對于FPGA和數(shù)字IC設(shè)計開發(fā)的工程師們而言，感同身受的是，在龐大復(fù)雜的系統(tǒng)研發(fā)過程中，設(shè)計和驗證幾乎同等重要，甚至驗證工作將花費(fèi)整個周期的70%~80%。

如何進(jìn)行有效的功能驗證，是我們必須面對的課題。隨著芯片設(shè)計驗證技術(shù)的發(fā)展，SystemVerilog語言在業(yè)界獲得了廣泛應(yīng)用。本文將介紹常用的驗證技術(shù)和方法。

無論是從事FPGA開發(fā)，還是數(shù)字IC設(shè)計，驗證是一個無法逃避的問題，是整個項目周期中極為重要的一環(huán)。

驗證是一個覆蓋面比較廣的課題，主要包括功能驗證、物理驗證、時序驗證等。我們常常涉及功能驗證，以確保設(shè)計能夠按照設(shè)計規(guī)范實(shí)現(xiàn)應(yīng)有功能。為了完成功能驗證，我們需要搭建驗證平臺testbench，這也是業(yè)界最常用的驗證手段。

芯片設(shè)計流程

我們以專用芯片（ASIC）設(shè)計舉例，從設(shè)計規(guī)范到投片的設(shè)計流程，如圖：

與ASIC設(shè)計不同的是，在FPGA的設(shè)計流程中，沒有物理實(shí)現(xiàn)和版圖設(shè)計這一塊，因為FPGA已經(jīng)是經(jīng)過測封后的成品，只需要按照設(shè)計架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)和驗證。因此，數(shù)字IC工程師與FPGA工程師常?？上嗷マD(zhuǎn)換。

RTL設(shè)計是將設(shè)計規(guī)范進(jìn)行邏輯代碼實(shí)現(xiàn)的過程，我們常常使用verilog HDL或VHDL語言進(jìn)行設(shè)計。通過采用相對合理的設(shè)計方案，在資源消耗、處理速率和時延上進(jìn)行平衡。

功能驗證作為一個獨(dú)立模塊，但驗證過程卻相當(dāng)復(fù)雜：定義測試用例，搭建測試環(huán)境，運(yùn)行測試用例，以及保證功能覆蓋率。

怎樣進(jìn)行有效功能驗證，確保設(shè)計可靠性，是我們最關(guān)心的課題。

驗證平臺

以FPGA開發(fā)為例，當(dāng)我們完成功能模塊設(shè)計后，別急著進(jìn)行綜合與實(shí)現(xiàn)，以及上板調(diào)試，進(jìn)行行為仿真或功能仿真驗證是必要的。

在功能驗證中，我們在被測設(shè)計（Design Under Test，DUT）外搭建驗證平臺，就像這樣：

驗證平臺可以用來做什么，又應(yīng)該怎么做？

如上圖所示，對于DUT，我們需要通過testbench產(chǎn)生測試激勵，然后把測試激勵應(yīng)用到DUT中，而DUT產(chǎn)生的輸出結(jié)果，我們需要進(jìn)行檢查，看驗證測試是否通過，也就是，我們要確保輸出結(jié)果和期望一致。

產(chǎn)生用戶激勵常用方法：一種是提供確定輸入，進(jìn)行直接測試（direct test）；另外就是產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù)，進(jìn)行隨機(jī)測試(random test)。

通常，我們需要產(chǎn)生必要的使能信號、測試數(shù)據(jù)、地址等，通過DUT接口送入。

在高級驗證平臺種，激勵被工程師建模并封裝，進(jìn)行事務(wù)級驗證(transaction based verification)。

驗證的目的，在于檢查DUT的輸出是否和期望一致。常用發(fā)方法和途徑有以下三種。

（1）通過視圖（波形窗口）檢查。我們通過仿真器查看信號波形，這也是常用的方法，不過也存在缺點(diǎn)，對于復(fù)雜的設(shè)計，信號接口眾多，數(shù)據(jù)量大，人眼視覺容易出現(xiàn)錯誤。

（2）自動化后處理對比。記錄DUT的輸出，通過運(yùn)行腳本對比結(jié)果。我們可以將需要的結(jié)果寫為文件保存，導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行對比分析。也可將期望得到的結(jié)果與DUT輸出的結(jié)果通過程序自動對比分析。

（3）做一個實(shí)時監(jiān)測器自動檢查。當(dāng)然，監(jiān)測器需要進(jìn)行開發(fā)，當(dāng)對比發(fā)生錯誤時，通過設(shè)置錯誤標(biāo)志和打印信息提示，便于快速發(fā)現(xiàn)錯誤，節(jié)省仿真時間。

在功能驗證時，需要考慮主要功能點(diǎn)，提供比較完備的測試用例。對于FPGA功能模塊的驗證，或許用不上去搭建復(fù)雜的驗證平臺，但是這樣的驗證方法和思想依然可借鑒。在芯片設(shè)計領(lǐng)域，驗證工程師作為獨(dú)立崗位，承擔(dān)著設(shè)計把關(guān)的重任，一旦投片，基本就決定這款芯片的命運(yùn)了。

像筆者這樣的FPGA工程師新手而言，主要任務(wù)就是算法實(shí)現(xiàn)。算法工程師把算法模型交給你，你就開始制定功能模塊實(shí)現(xiàn)方案、與前后級商討接口、RTL設(shè)計、仿真驗證到上板調(diào)試。相對于數(shù)字IC工程師的獨(dú)立性而言,FPGA工程師需要的技能也許更多：首先要懂算法，至少要理解算法處理流程；其次，常規(guī)技能要掌握，就是RTL設(shè)計能力；仿真驗證能力，如何設(shè)計好的testbench來驗證你的DUT，保證系統(tǒng)集成時不會有問題；最后還需要上板調(diào)試，需要掌握調(diào)試手段和驗證分析能力，對整個系統(tǒng)需要比較熟悉，常常涉及射頻和協(xié)議棧。隔行如隔山，精力也有限，因此挑戰(zhàn)必然存在。

整個驗證流程，我們通過下圖來說明。

這里上圖提到的回歸測試和覆蓋率收斂，對于小白或新手而言，可能比較陌生，尤其是對于我這樣的非驗證崗人員。

一旦幾乎全部測試用例被成功執(zhí)行，那么驗證就進(jìn)入了回歸測試（regression test）和覆蓋率收斂階段。

回歸測試要求能夠周期的批處理運(yùn)行，并且激勵能夠得到重現(xiàn)，成功或失敗都能夠自動檢查。

這個時候，所有測試應(yīng)該在每天或每周做回歸周期性運(yùn)行，查看覆蓋率，解決可能存在的bug，盡可能實(shí)現(xiàn)覆蓋率100%。

對于做FPGA的工程師而言，仿真時間太長，就不爽了。我們關(guān)心的是，功能驗證和邏輯驗證。覆蓋率沒有100%，也不要緊。不管是Vivado還是Quartus II自帶的仿真器，或者M(jìn)odelsim，都可用來做仿真。使用Modelsim做來聯(lián)合仿真時，需要注意版本匹配和庫文件編譯。

驗證技術(shù)和方法學(xué)

有三種常用驗證手段：白盒、黑盒和灰盒驗證。

三種主要驗證技術(shù)：形式驗證、仿真驗證和硬件加速驗證。

三種主要驗證方法學(xué)：隨機(jī)激勵生成、斷言驗證和覆蓋率驗證。

做功能驗證，目標(biāo)就是驗證設(shè)計能否能夠像預(yù)期工作。然而，可能存在一些設(shè)計缺陷并沒有在輸出邊界暴露出來，檢測產(chǎn)生遺漏等。

黑盒驗證：只通過其邊界信號來驗證一個模塊或設(shè)計的功能。驗證模型：

黑盒驗證有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)就是看起來testbench搭建簡單，缺點(diǎn)就是DUT內(nèi)部錯誤不好驗證。FPGA仿真驗證，就類似這樣。對于算法實(shí)現(xiàn)而言，常常利用FPGA仿真結(jié)果與MATLAB運(yùn)算結(jié)果對比，比如畫個圖，畫條線，數(shù)據(jù)相減，計算方差等等。內(nèi)部邏輯則可通過觀察波形來判斷，局限于復(fù)雜度不高的情況。

白盒驗證和灰盒則通過在設(shè)計內(nèi)部或者外部輸出信號放置監(jiān)控器或斷言來保證設(shè)計操作的正確性，不需要參考模型。

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關(guān)于驗證技術(shù)中的形式驗證、仿真驗證和硬件輔助加速驗證等，其概念和使用方法，咱們不詳細(xì)去討論了，有興趣的朋友，去找?guī)妆維ystemVerilog驗證的參考書看看。

在功能驗證中，驗證工程師面臨著以下挑戰(zhàn)：

完備性：最大限度驗證DUT的行為，然而，怎樣去獲取必須被驗證的場景，提高覆蓋率。

可重用性：考慮如何優(yōu)化驗證環(huán)境架構(gòu)，使其可在不同場景下重用。若每做一個工程或迭代更新一個版本，都需要重新去設(shè)計testbench，那會累死三軍。

可靠性：在驗證中減少手工操作，以減少認(rèn)為錯誤和節(jié)省時間，然而，搭建一個自動化系統(tǒng)也并非易事，需仔細(xì)分析和搭建，同時采用約束隨機(jī)進(jìn)行驗證。

效率：在給定時間內(nèi)，對驗證工作投入的產(chǎn)出最大化，提高驗證的成功率。對于設(shè)計師而言，我們常常采用重用技術(shù)，比如某個通用模塊，可在不同工程中使用，我們進(jìn)行簡單移植修改即可。然而驗證就沒有這么幸運(yùn)了，場景不同，激勵也不同，產(chǎn)生的結(jié)果也不同。

性能：驗證程序性能上的挑戰(zhàn)就是要如何最大化驗證程序的效率。驗證耗時費(fèi)力，所以，每年在秋招春招時，大量芯片類企業(yè)招驗證工程師。筆者去年秋招時，本來投遞設(shè)計崗，然后當(dāng)你筆試或者面試的時候，給你安排驗證的崗位。

功能驗證方法學(xué)，就是驗證電子系統(tǒng)的技術(shù)和科學(xué)。

前面，筆者在《FPGA工程師的核心競爭力—方法篇（一、二）》中，總結(jié)了UltraFast設(shè)計方法學(xué)，從而有效提高設(shè)計和效率。

而對于驗證這一環(huán)，也是有章法可循。

設(shè)計與驗證，相輔相成，如下圖：

DUT能正常工作嗎？測試功能點(diǎn)是什么？怎么測？功能對不對？我們做完驗證了嗎？簡直就是靈魂拷問。

在驗證方法中，斷言驗證（ABV）、約束隨機(jī)激勵測試（CR TB）、覆蓋率驅(qū)動驗證（CDV）等技術(shù)將會極大提高驗證效率?？s短驗證周期，快速定位錯誤，加速激勵生成和有效實(shí)現(xiàn)驗證收斂。

對于FPGA工程師而言，在進(jìn)行設(shè)計和仿真驗證中，最常用的語言是verilog HDL或VHDL，各有千秋。verilog HDL用起來比較靈活，有C語言基礎(chǔ)和硬件思維，就可以快速入門。VHDL語法嚴(yán)謹(jǐn)，有利于大規(guī)模系統(tǒng)集成。

SystemVerilog是業(yè)界新興的工程語言，基于verilog HDL進(jìn)行了擴(kuò)展，包括對硬件建模的擴(kuò)展和驗證斷言方面的擴(kuò)展。

SystemVerilog具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）單一，同時支持設(shè)計和驗證的標(biāo)準(zhǔn)語言。

（2）支持約束隨機(jī)的產(chǎn)生。

（3）支持覆蓋率統(tǒng)計分析。

（4）支持?jǐn)嘌则炞C。

（5）面向?qū)ο蟮?a target="_blank">編程結(jié)構(gòu)，有助于采用事務(wù)級的驗證和提高驗證的重用性。

基于SystemVerilog的驗證方法學(xué)有：OVM、VMM和UVM。目前，業(yè)界最流行的是UVM。相信你在或?qū)诮窈蟮摹敖鹁陪y十”的秋招時，會被問到是否對UVM有所了解。如果你是看到本文了解到UVM這個概念，那么趕緊再深入了解一下。

下圖是驗證方法學(xué)的發(fā)展時間線：

UVM （Universal Verification Methodology）通用驗證方法學(xué)。它起源于 OVM（Open Verification Methdology），其正式版是在2011年2月由Accellera推出的，得到了Synopsys、Cadence和Mentor的一致支持。UVM幾乎完全繼承了OVM，同時又采納了Synopsys在VMM中的寄存器解決方案RAL。UVM繼承了OVM和VMM的優(yōu)點(diǎn)，克服了各自的缺點(diǎn)，代表了驗證方法學(xué)的發(fā)展方向。

下圖是典型的UVM驗證平臺框圖：

由于SystemVerilog可完全兼容Verilog，所以你在.sv文件中加入幾行Verilog語法的程序也不會出錯。比如讀寫文件的操作，前幾天，筆者也不了解這個SystemVerilog的用法，就在微信群里問這種小兒科問題：

“SystemVerilog和Verilog在讀寫文件操作上，有什么區(qū)別？”

$fopen,$readmemh/$readmemb，$fwrite,$fclose依然可用。

SystemVerilog中可操作字符串，這對于存儲初始化文件（.mif）的讀操作比較友好，并且可跳過文件中的注釋。

SystemVerilog中信號定義，可用logic來代替Verilog中的reg和wire。

關(guān)于任務(wù)task的使用，文件指針等等，可以參閱SystemVerilog設(shè)計和驗證的書籍，講得很詳細(xì)。


審核編輯：劉清