1、一種超大規模集成電路的自動化驗證方法一種超大規模集成 1 引言 當今,數字集成電路的規模越來越大,集成度越來越高,百萬門級千萬門級的設計已經不再是尖端技術,這樣的現狀帶來的結果就是芯片功能和邏輯出錯的概率大大增加.為了保證芯片設計的準確性和IP的可重用性,驗證就起到了決定性的作用.目前在ASIC設計中驗證的工作量大概占有總工作量的60%70%,除了前端的方案設計和RTL編寫代碼階段以外,驗證將滲透在整個設計團隊每個人的工作中直到芯片的最終流片.傳統的驗證方法也越來越難以驗證如此復雜的芯片.目前,在進行大規模交換芯片的驗證過程中通常采用參考模型協助驗證,本文中稱這種利用參考模型進行驗證的方法成為

2、大規模芯片典型驗證方法. 圖1為典型的對大規模芯片的驗證環境框圖. 待測設計參考模型結果分析芯片中的存儲管理模塊(以下簡稱MMU)為例,具體描述一下這種可配置可替換的使用參考模型的驗證方法的實施細節. 首先,分模塊建立整個芯片的參考模型時,要保證MMU的所有接口與實際模塊的接口完全一致,即模型與原型的接口一致,以便嵌入和替換.因此需要在建立MMU參考模型的同時,建立MMU的接口文件.假設MMU參考模型的頂層文件名為MMU.rm,那么對應的接口文件名設為MMU.if.rm. 準備好上述文件后,MMU這個模塊就具備可嵌入替換的條件了. 其次,在實施嵌入驗證方案時,需要配置編譯參數,比如 -m MM

3、U,控制編譯器調用MMU的設計文件(MMU.dut)和模型的接口文件(MMU.if.rm).完成編譯后生成的目標文件中不再包含MMU參考模型的代碼(MMU.rm),而是包含了MMU的待測代碼和對應的參考模型接口代碼.這樣就完成了通過配置將待測模塊嵌入到參考模型內部的目標代碼的建立. 最后,調用腳本運行目標代碼,分析運行結果. 圖4為上述過程的簡明框圖. MMU.rm模塊參考模型參考模型vera實現MMU.dut待驗證模塊待測設計verilog實現MMU.if.rm模塊參考模型接口配置編譯-m MMUMMU.dut待驗證模塊MMU.if.rm模塊參考模型接口目標代碼運行圖4 可替換參考模型的驗證

4、過程 由此可見,待驗證模塊MMU即使在其他模塊還未完成或還未得到驗證的情況下通過嵌入到參考模型中完成驗證,加快了驗證進度. 總之,這種可配置可替換的使用參考模型的驗證方法,通過在參考模型中增加模塊的接口文件,利用條件編譯,在編譯過程將參數提取到參考模型中,建立內嵌設計模塊的參考模型,以達到很方便的可配置可替換的使用參考模型,大大提高驗證效率和減少驗證工作量. 3 描述數據流的方法 由本文引言和圖1可知在大規模集成電路設計過程中,編寫測試向量的效率和質量直接影響著功能驗證的可靠性和效率.而現有的編寫測試向量的方法主要是通過編程和腳本文件來實現,這些方法受外因影響大,對編寫激勵人員要求高,編寫費時

5、,費力,又非常難以理解和維護,常常導致驗證工作不能按期完成.因此驗證領域迫切需要一種新的描述測試向量的方法.本文介紹的描述數據流方法就是在這種情況下應運而生的一種有效的方法,它能彌補以上各個方法的不足,顯著提高驗證效率.此方法采用特定格式的純文本方式描述以太網數據流,數據流文本由若干個結構塊組成,每一個結構塊描述數據流不同層次的信息.編寫向量時將數據流中所需要的數據以填表的方式填入文本相應的字段.生成的數據流文本由向量解釋程序進行解釋.仿真時由向量解釋程序自動讀取并分析向量文本中的各字段,按要求生成各種幀結構,完成數據流的組裝,并傳遞給接口仿真模塊.本方法也支持隨機產生數據流,它使驗證人員從復

6、雜的編程輸入激勵中解放出來,能更好的關注功能驗證本身. 下面對這種描述以太網數據流的方法做更詳盡的說明.具體實現方法如下: 數據流以文本的形式進行描述,主要包括以下8個部分: 1. 流規格特性 :指定以太網端口相關屬性及數據流結構信息 2. 序列規格特性 :指定數據流中序列的相關信息 3. 幀規格特性 :指定序列中幀的相關信息 4. 一層數據規格特性 :指定幀中的一層信息 5. 堆疊規格特性 :指定幀中堆疊頭的相關信息 6. 二層數據規格特性 :指定幀中的二層信息 7. 三層數據規格特性 :指定幀中的三層信息 8. 負載有效數據內容 :指定幀中包含的有效數據信息 本描述方法根據以上8部分定義了

7、八種數據流的結構塊,并創立了八種結構塊關鍵字與之相對應,結構塊關鍵字是向量用來表明結構塊類型的固定字符串.每個結構塊由結構關鍵字和一組成對的花括號()組成.結構塊中的具體信息采用字段的形式表示.這種分層嵌套的方法結構層次明確,易讀,易管理. 下面列出向量文本支持的八種結構塊關鍵字及與之相對應的解釋. 1. STREAM :指定以太網端口相關屬性及數據流結構信息 2. SEQUENCE :指定數據流中序列的相關信息 1. FRAME :指定序列中幀的相關信息 2. LAYER1 :指定幀中的一層信息 3. STACK :指定幀中堆疊頭的相關信息 4. LAYER2 :指定幀中的二層信息 5. L

8、AYER3 :指定幀中的三層信息 6. PAYLOAD :指定幀中包含的有效數據信息 STREAM結構塊定義了各端口數據流的結構信息.STREAM結構塊的格式如下所示: STREAM 如上所示,STREAM結構塊由兩層花括號()嵌套組成.第一層花括號只有一組,標志STREAM塊的起始和結束.第二層花括號可以并列有若干組,在每組第二層花括號內對一個端口的數據流信息進行描述,內容可以有若干行,每一行描述一個SEQUENCE的ID號和這個SEQUENCE的數目.圖2中內的內容為注釋,我們根據注釋的內容在注釋行的下一行的對應位置添入相應內容,下面填端口號;下面填寫端口速率模式; 下面填寫數據流是否允許

9、循環發送,此項為選擇項可不填;和下面分別填寫這個端口發送的SEQUENCE的ID號和數目,兩者間以空格區分.和下面分別填寫此端口下各個SEQUENCE之間的間隙是否需要重新設置和設置的時間,此項也為備選項,如果不填,系統可以使用缺省值.不需要數據流的端口可以省略,不進行描述.為適應隨機測試的要求,SEQUENCE ID可描述為R,表示從SEQUNCE結構塊定義中隨機選擇一個SEQUENCE ID. SEQUNCE結構塊中定義了數據流中序列的相關信息,SEQUNCE結構塊的格式如下所示: SEQUENCE 如上所示,SEQUENCE關鍵字標志SEQUENCE結構塊的開始.SEQUENCE結構塊由

10、兩層花括號()嵌套組成.第一層花括號只有一組,標志SEQUENCE塊的起始和結束.第二層花括號可以有若干組,每組包括了一個SEQUENCE描述,SEQUENCE描述的個數不限.第二層花括號內可以有若干行,每一行表示一個FRAME的定義.和下分別填FRAME的ID號和FRAME的個數,和下分別填寫此SEQUENCE下各個FRAME之間的間隙是否需要重新設置和重新設置的時間,此項可缺省項,如果不填,系統使用缺省值.為適應隨機測試的要求,FRAME ID可描述為R,表示從FRAME塊定義中隨機選擇一個FRAME. FRAME結構塊定義了各種FRAME的結構信息,FRAME結構塊的格式如下所示: FR

11、AME 如上所示,FRAME關鍵字標志FRAME結構塊的開始,FRAME結構塊由一層花括號()組成,標志FRAME塊的起始和結束.花括號內可以有若干行,每一行表示一個FRAME定義.下面填寫FRAME標識,與SEQUENCE塊中的調用相對應;下面填寫LAYER1的標志號;下面填寫STACK的標志號;下面填寫LAYER2的標志號;下面填寫LAYER3的標志號;下面填寫PAYLOAD的標志號;下面填寫報文總長度,可以填入固定長度,或者R表示長度隨機,或者INC(a, b)表示基值為a,長度以幅度b進行遞增.為適應隨機測試的要求,L1 ID,L2 ID,L3 ID,PAYLOAD ID可描述為R,表

12、示L1,L2,L3,PAYLOAD將從其相應的塊定義中隨機選擇一個. LAYER1結構塊定義了報文數據流的一層信息,LAYER1結構塊的格式如下所示: LAYER1 如上所示,LAYER1關鍵字指示LAYER1結構塊的開始.LAYER1結構塊由一層花括號()組成,標志LAYER1塊的起始和結束.花括號內可以有若干行,每一行表示一個LAYER1定義.TYPE字段指示當前LAYER1信息屬于哪一種格式.PREAMBLE表示幀前導碼,SFD指示幀起始定界符,IPG指示幀間間隔. STACK結構塊定義了報文的STACK信息.如果報文不帶STACK信息,該結構塊可以省略.STACK結構塊的格式如下所示,

13、由于篇幅的關系STACK中的字段排列成兩行,在向量中應在一行內表示. STACK 如上所示,STACK關鍵字指示STACK結構塊的開始.STACK結構塊由一層花括號()組成,標志STACK塊的起始和結束.花括號內可以有若干行,每一行描述一個STACK的定義.STACK ID 指示STACK標識號,與在FRAME中定義的STACK ID對應;STACK結構塊中其他字段的定義參見附表2. LAYER2結構塊定義了報文的二層信息,LAYER2結構塊格式如下所示: LAYER2 LAYER2關鍵字指示LAYER2結構塊的開始.LAYER2結構塊由一層花括號()組成,標志LAYER2塊的起始和結束.花括

14、號內可以有若干行,每一行表示一個LAYER2定義.LAYER2結構塊的字段定義見附表3. LAYER3結構塊定義了報文的三層信息,LAYER3結構塊格式如下所示: LAYER3 如上所示,LAYER3關鍵字指示LAYER3結構塊的開始.LAYER3結構塊由一層花括號()組成,標志LAYER3塊的起始和結束.花括號內可以有若干行,每一行表示一個LAYER3定義.LAYER3結構塊的字段定義見附表4. PAYLOAD結構塊定義了報文的載荷信息,PAYLOAD結構塊的格式如下所示: PAYLOAD 如上所示,PAYLOAD關鍵字指示PAYLOAD結構塊的開始.PAYLOAD結構塊由一層花括號()組成

15、,標志PAYLOAD塊的起始和結束.花括號內可以有若干行,每一行表示一個PAYLOAD定義.PAYLOAD結構塊的字段定義見附表5. 以上篇幅介紹了本方法具體的實現細節,本方法的特點在于它能使用特定格式的純文本方式描述以太網數據流,使測試激勵的編寫獨立于某種特定編程語言,同時支持隨機產生數據流,使驗證人員從復雜的編程輸入激勵中解放出來,同時文本形式的測試向量易于修改,可讀性強,易于管理,工程人員不需要相關的培訓和編程背景就能進行編寫,同時可靠性高,覆蓋全面,能夠顯著提高驗證效率. 4 描述配置流的方法 本文上一個章節介紹了測試向量中數據流的描述方法,眾所周知在芯片功能驗證中還需要對仿真參數和芯

16、片內部寄存器進行配置,因此本文以PCI接口配置流為例介紹一種在驗證中配置流的描述方法,借助它驗證人員可以方便的對寄存器和仿真參數進行配置,實現功能驗證過程的可控性,顯著提高驗證效率. 本文介紹的這種采用純文本方式描述PCI接口配置流的方法,可以解決芯片在功能驗證中遇到的很多難題.本方法介紹的PCI接口配置流由一系列配置命令組成,共包括10種仿真配置命令和14種芯片配置命令.仿真配置命令實現對仿真過程的控制,包括對仿真時間,命令間隔等仿真參數的配置.芯片配置命令實現對芯片內部寄存器等重要參數的配置.每條仿真配置命令和芯片配置命令均由命令關鍵字和相應的字段組成.仿真時由配置流解釋程序自動讀取并分析

17、向量文本中的各字段,按要求生成配置命令流,并傳遞給接口仿真模塊.這種描述PCI接口配置流的方法和上一章節介紹的以太網數據流描述方法類似,它也使驗證人員從復雜的編程輸入激勵中解放出來,是目前僅有的使用純文本方式描述測試激勵,進行功能驗證的方法. 具體實施方法如下所示: 此方法共包括10種仿真配置命令和14種芯片配置命令,每條配置命令由命令關鍵字和相應的字段組成.配置命令列表見附表. 仿真配置命令實現對仿真過程的控制,共10條命令,每條命令的格式如下: 第一條命令為配置仿真時間命令,格式如下: SET_RUNTIME 第二條命令為配置等待時間命令,可以放在任意一條配置命令之后,程序在讀入這條命令時

18、進入計時等待,直到等待時間到達后開始執行下一條配置命令.命令格式如下: SET_COMMAND_WAIT 第三條命令為配置PCI命令間隔命令,可以用來指定每條PCI配置命令執行之間的時間間隔.根據這個時間間隔向PCI總線發送配置命令.配置PCI命令間隔命令的格式如下: SET_PCI_INTERVAL 第四條命令為配置芯片初始化等待時間命令,用以保證仿真完成芯片初始化配置后能正確收發數據包.如果未配置此命令,則系統可以按缺省值來設定初始化配置的等待時間.命令格式如下: SET_INITIAL_WAIT 第五條命令為PCI錯誤檢測命令,可用于PCI接口的錯誤檢查.為單行命令,命令格式如下: SE

19、T_PCI_ERROR 第六條命令為PCI Retry配置命令,此命令可用于PCI重試的檢查,為單行命令,命令格式如下: SET_PCI_RETRY 第七條命令為PCI Abort設置命令,此命令可用于PCI的中斷檢查,命令格式如下: SET_PCI_ABORT 第八條命令為Pause幀響應命令,此命令可用于打開測試平臺對Pause幀的檢測響應功能,命令格式如下: SET_PAUSE_ON 第九條命令為配置DMA通道命令,用以配置DMA操作,命令格式如下: SET_DMA_CHANNEL 第十條命令為配置DCB鏈命令,用以配置DCB鏈完成一次DMA操作,命令格式如下: SET_DCB_CHAI

20、N EOC 芯片配置命令實現對芯片內部寄存器和表項的配置和訪問,共14種命令,命令格式如下: 第一條命令為寫配置空間寄存器命令,命令格式如下: CWRITE 第二條命令為讀配置空間寄存器命令,命令格式如下: CREAD 第三條命令為寫直接映射寄存器命令,它執行對直接映射寄存器的寫操作.寫操作可以有兩種模式:根據寄存器地址訪問以及根據寄存器名稱訪問.兩種模式使用兩種不同的命令格式,編寫配置流時可以根據需要在兩種模式中進行選擇. 按寄存器地址訪問命令格式如下: DWRITE 按寄存器名稱訪問,分為按字段訪問和整體訪問兩種格式.按字段訪問命令格式如下: SET_DIRECT_REG EOC 按寄存器

21、名稱訪問,對整體訪問,即將32位的寄存器值作為整體來寫入,命令格式如下: SET_DIRECT_REG EOC 第四條命令為讀直接映射寄存器命令,它執行對直接映射寄存器的讀操作. 按寄存器地址訪問命令格式如下: DREAD 按寄存器名稱訪問命令格式如下: GET_DIRECT_REG 第五條命令為寫間接映射寄存器命令,它執行對間接映射寄存器的寫操作. 根據寄存器地址進行訪問的命令格式如下: IWRITE 根據寄存器名稱按字段訪問的命令格式如下: SET_INDIRECT_REG EOC 根據寄存器名稱按整體訪問的命令格式如下: SET_INDIRECT_REG EOC 第六條命令為讀間接映射寄

22、存器命令,執行對間接映射寄存器的讀操作. 按寄存器地址訪問命令格式如下: IREAD 按寄存器名稱訪問命令格式如下: GET_INDIRECT_REG 第七條命令為插入ARL表項命令,命令格式如下: ARL_INSERT . EOC 第八條命令為刪除ARL表項命令,命令格式如下: ARL_DELETE EOC 第九條命令為查找ARL表項命令,命令格式如下: ARL_LOOKUP EOC 第十條命令為進入DEBUG模式命令,命令格式如下: ENTER_DEBUG_MODE 第十一條命令為退出DEBUG模式命令,命令格式如下: EXIT_DEBUG_MODE 第十二條命令為調用缺省配置文件命令,命

23、令格式如下: LOAD 第十三條命令為寫表格命令,執行對表格的寫操作.寫操作可以有兩種模式:根據表格地址訪問以及根據表格名稱訪問.兩種模式使用兩種不同的命令格式,編寫向量時可以根據需要在兩種模式中進行選擇. 根據表格地址訪問的橫向命令格式如下: TWRITE 根據表格地址訪問的縱向命令格式如下: TWRITE EOC 根據表格名稱訪問寫表格命令有兩種格式:多表項訪問和單表項訪問.多表項訪問方式支持在一條寫表格命令中對多個表項進行配置,這種訪問方式適用于表項字段較少的場合,其命令格式如下: SET_TABLE . . EOC 根據表格名稱單表項訪問方式在寫表格命令中僅對一個表項進行配置,這種訪問

24、方式適用于表項字段較多的場合,其命令格式如下: SET_TABLE EOC 第十四條命令為讀表格命令,執行對表格的讀操作.讀操作可以有兩種模式:根據表格地址訪問以及根據表格名稱訪問.兩種模式使用兩種不同的命令格式,編寫向量時可以根據需要在兩種模式中進行選擇. 按表格地址訪問,命令格式如下: TREAD 按表格名稱訪問,命令格式如下: GET_TABLE EOC 以上各個命令格式中的參數意義解釋如下: SET_RUNTIME為命令關鍵字; 為仿真運行的時間.運行時間從EXIT_DEBUG_MODE命令被執行后開始計算.運行時間到達后,仿真自動停止; SET_COMMAND_WAIT為命令關鍵字;

25、 指示具體為多少個CYCLE; SET_PCI_INTERVAL為命令關鍵字; SET_INITIAL_WAIT為命令關鍵字; SET_PCI_ERROR為命令關鍵字; SET_PCI_RETRY為命令關鍵字; SET_PCI_ABORT為命令關鍵字; SET_PAUSE_ON為命令關鍵字; SET_DMA_CHANNEL為命令關鍵字; 為通道號,0-3為Packet DMA通道,4為ARL DMA通道,5為MIB DMA通道; 為復用字段,字段含義根據來確定.對于通道4和通道5,指定通道的起始地址;對于通道0通道3,指定通道的DMA方向. SET_DCB_CHAIN為命令關鍵字; 為DCB鏈

26、所屬的通道號,特指Packet DMA的0-3; 為DCB鏈的首地址,即首個DCB的起始地址; CWRITE為命令關鍵字; 為配置空間地址,范圍是0x000xFF,取值為4的整數倍; 為數據,位寬32bit; CREAD為命令關鍵字; DWRITE為命令關鍵字; 為寫操作Burst的個數; 為連續寫操作的數據,位寬32bit. SET_DIRECT_REG為命令關鍵字; 為寄存器的名稱,在芯片方案中的寄存器列表中定義; 為整體寄存器訪問命令的指示,0表示按字段訪問,1表示整體訪問; EOC為命令結束關鍵字; DREAD為命令關鍵字; GET_DIRECT_REG為命令關鍵字; IWRITE為命

27、令關鍵字; SET_INDIRECT_REG為命令關鍵字; IREAD為命令關鍵字; GET_INDIRECT_REG為命令關鍵字; TWRITE為命令關鍵字; SET_TABLE為命令關鍵字; 為表格的名稱,在芯片方案中的表格列表中定義; 為表格中表項的索引值,取值范圍在芯片方案中的表格列表中定義; 為表項中各字段的數據,對應表項的最高比特字段,對應表項的最低比特字段,字段的位寬應與表項定義相符; TREAD為命令關鍵字; GET_TABLE為命令關鍵字; ARL_INSERT為命令關鍵字; ARL_DELETE為命令關鍵字; ARL_LOOKUP為命令關鍵字; 為ARL表項的關鍵字VLAN

28、 ID字段; 為ARL表項的關鍵字MAC_ADDR字段; ENTER_DEBUG_MODE為命令關鍵字,其后不帶任何參數. EXIT_DEBUG_MODE為命令關鍵字,其后不帶任何參數. LOAD為命令關鍵字; 為缺省配置文件名,缺省配置文件定義了某些特定環境下的芯片缺省配置.缺省配置文件中可以包含除LOAD命令以外的所有配置命令. 以上篇幅介紹了這種用于描述PCI接口配置流方法的實施細節.本方法的特點在于用規定格式的純文本方式描述PCI接口配置流,使測試向量的編寫獨立于特定編程語言.具體內容為PCI接口配置流由一系列配置命令組成,每一條命令對指定的資源(寄存器,內部表等)進行配置訪問.仿真時

29、由配置流解釋程序自動讀取并分析向量文本中的各字段,按要求生成配置命令流,并傳遞給接口仿真模塊進行仿真,極大的提高了驗證效率. 5 建立自動化驗證環境 在參考模型建立的基礎上利用腳本可以使得驗證環境更加易于操作和控制,自動完成從建立環境,編譯運行到結果分析的整個驗證過程. 圖5為改進的驗證過程. 結果分析運行自動化驗正腳本編寫測試向量圖5 改進的驗證過程 驗證工程師只需要準備測試向量,自動化驗證腳本可以下載最新的,或則指定版本的驗證環境,并且自動完成編譯及各條向量的運行,將結果保存為可分析的形式(比如文本或波形).驗證工程師可以調用自動化分析腳本,對結果進行分析,打印分析報告. 由此可見,應用本

30、發明的驗證方法,驗證工程師的工作量和出錯率都大大降低.驗證工程師可以在完成測試向量的準備后,通過鍵入一條或幾條指令完成整個驗證過程,在運行完畢后,同過鍵入一條或幾條指令完成結果的分析,得到正式的分析文檔.整個過程由機器完成,其出錯率被降為最低. 圖6為通過簡化前后驗證人員需要操作的接口指令的對比: 編譯待測設計文件編譯參考模型文件更新待測設計文件更新參考模型文件更新向量1文件運行向量1仿真分析向量1仿真結果更新測試環境文件運行向量2仿真運行向量n仿真分析向量2仿真結果分析向量n仿真結果更新向量2文件更新向量n文件int -t runc -t runs -t -v cktest -t 傳統驗證方

31、法自動化驗證方法圖6 接口指令對比框圖 以交換芯片的前端驗證為例,其自動化驗證方法實施的細節如下. 首先,驗證人員通過int指令創建或則更新驗證環境,指令執行后環境所包含的待測設計文件,參考模型文件及驗證平臺文件都更新到最新版本或指定版本. 然后,驗證人員通過runc指令完成對驗證環境的編譯. 接著,驗證人員通過runs指令控制驗證環境運行單條或多條向量. 最后,運行完畢后,驗證人員通過cktest指令完成對結果的分析,并打印出分析結果保存. 可見,整個繁瑣的驗證過程縮減到以上四步完成. 以下為使用到的主要腳本指令及參數. 1. int命令用于建立集成仿真環境,int的意思是integration 參數如下: int -t -rm -rtl -tb -vt -mo -novt -t 指定集成驗證環境名. -rm 更新參考模型代碼. -rtl 更新待測設計代碼. -tb 更新測試平臺代碼. -vt 更新測試向量. -mo 更新監測文件代碼. -novt 更新除開向量的所有源文件. 2. runc命令用于編譯驗證環境. 參數如下: runc -t -rm -rtl -sw -m -g -fsdb -t 指定集成驗證環境名. -rm 只編譯