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引言 伴隨著微電子產業的發展和摩爾定律的不斷應驗，IC設計的規模越來越大，集成度也越來越高，已經足以將整個系統集成到一個芯片中，這種技術就是 SoC(System onChip，片上系統)技術。相對于PCB(Printed CircuitB0ard，印刷電路板)級的系統，SoC的優點是顯而易見的。SoC意味著更好的電路時序和更高的可靠性，但同時SoC也意味著更復雜的邏輯。為了解決SoC的眾多設計難題，SoC設計方法學中最顯著的一個特征就是IP(Intellec-tual Property，知識產權)的復用技術；然而系統的復雜度決定了不可能簡單地將各個IP模塊集成起來就完成了SoC的設計，SoC驗證成為了一個新的問題。 在驗證問題成為SoC設計的新的挑戰之后，人們逐漸提出各種應對方法。其中，SoC軟硬件協同驗證的思想，切實反應了SoC驗證中的問題和解決方法，越來越多地受到關注。本文以SoC軟硬件協同驗證思想為基礎，提出一種驗證平臺的實現；同時考慮到SoC的不同設計層次，建立起統一的高速的系統級驗證環境，有效的緩解了SoC驗證中的關鍵難題。 1 SoC軟硬件協同驗證 SoC設計中，系統的功能是需要SoC的軟件硬件相互配合共同實現的，這就出現了軟硬件接口的驗證問題。在以往的系統設計流程中，由于軟件的實際運行需要一個完整的可用的硬件平臺，軟件與硬件的接口的驗證過程是在硬件全部開發完畢，至少獲得了硬件原型之后。這樣的開發流程最嚴重的問題就是，軟硬件之間的接口可能出現設計上的錯誤。而要糾正這樣的錯誤，要么修改軟件來適應硬件(這一般都會導致系統整體性能的損失)，要么修改硬件來適應軟件(這又要導致硬件的設計、制造的更改，造成成本上升，設計周期延長)。無論哪一種方法都是設計者所不希望看到但是又不能保證避免的。所以，在SoC的設計方法學中，必須在軟硬件的開發過程中，就完成硬件原型的建立，并開始軟硬件的聯合驗證，即SoC軟硬件協同驗證。 2 混合建模實現SoC軟硬件協同驗證 本文在一般的SoC軟硬件協同驗證的基礎上，提出混合建模方法(Co-Modeling)，使用各種不同抽象層次的模型共同組成SoC硬件系統，直接為SoC的軟件提供可運行的載體，來實現SoC軟硬件協同驗證。不同抽象層次的模型包括事務級模型、功能性模型的高抽象層次的模型和RTL模型。 2．1 驗證平臺架構說明 如圖1所示，整個驗證平臺的架構可以分為兩個部分：軟件建模部分，以PC機上軟件的形式建模；硬件建模部分，以FPGA的形式建模。全部的硬件部分和除“ARM軟件集成開發環境”之外的軟件部分都用來建模SOC硬件系統，SoC軟件可以直接在這個SoC硬件系統模型上運行、調試，如圖中“ARM 軟件集成開發環境”所示。驗證平臺建模的SoC硬件系統，是針對ARM架構的SoC，以AHB總線為基礎。AHB總線上的各模塊為建模的基本單元。 
驗證平臺軟件部分中最重要的模型是CPU的ISS(Instlruction Set Simulator，指令集仿真器)，用來模擬SoC系統中的CPU，可以提供軟件代碼執行時周期準確的仿真結果。平臺中使用的是ARM系列CPU的 ISS，稱為ARMulator。ARMulator也是ARM CPU軟件集成開發環境的直接載體，SoC的軟件開發人員可以在基于AR-Mulator’的集成開發環境中運行、調試源代碼，與其在真實的CPU上的運行調試完全相同。其他的總線模型，如圖中所示的IP3、IP4，用來描述SoC硬件系統中除CPU之外的一些模塊，最好都是SystemC語言描述的事務級模型。事務級模型是RTL級硬件模型的抽象，省略了RTL級的實現細節，但是仍然以周期數精確等方式反映了RTL級模型的特點，是設計初期系統建模的常用選擇。不過考慮到驗證環境的通用性，再加上ARMulator本身也并不是SystemC語言的模型，而是基于C的功能性模型，驗證環境自然需要同時支持事務級模型與功能性模型，因此，驗證平臺也支持其他總線模塊以C／C++等語言描述的功能級模型。這些模型與ARMulator都連接到AHB總線的模型上，如圖1中IP3、IP4所示，AHB總線模型負責完成ARMulator。與軟件方各總線模型間，以及與硬件方之間的連接。 驗證平臺硬件部分的物理載體是以FPGA為主的PCB板卡，以PCI總線為物理通道連接到PC機。SoC硬件系統中RTL模型形式的總線模塊全部下載到FPGA內部，如圖1中的IPl、IP2。由于FPGA內模塊的RTL模型與CPU之間的總線通信數據可以在軟件方得到良好的可觀測性，對于以驗證總線模塊間通信正確性為目的的系統級驗證來說，模塊間通信數據的可觀測性是足夠的，這也就部分避免了硬件建模方法觀測性不足的缺點。 因為軟件方的模型抽象層次比硬件方RTL模型的抽象層次高，所以要想把軟件方模型和硬件方模型組合起來形成可用的SoC硬件系統，就必須完成這兩種抽象層次之間的數據同步和交換，這個任務是BFM完成的。BFM的具體實現將在后面詳細闡述。總體的效果是，在軟件方模型看來，BFM代表了硬件上的 RTL模型，對軟件方隱藏了RTL模型的實現細節，軟件方只需要訪問BFM，就得到了相應模塊的數據；而在硬件方模型看來，BFM代表了軟件方的所有總線模塊，BFM驅動的RTL級總線信號就是由軟件方中各總線模塊的總線訪問轉化而來的。 硬件方與軟件方接口的實現，以PCI總線為基礎，遵守SCE-MI(Standard C-Emulation Modeling Interface)協議。SCE-MI是．Accellera組織提出的用于規范協同仿效平臺中軟件方與硬件方之間的接口的協議，是業界實際的標準，目前已被多個商業化驗證平臺支持。本驗證平臺的BFM遵守SCE-MI協議接口，也是為了驗證平臺以及BFM本身的通用性。 如上所述，通過BFM的層次轉接作用，軟件方模型和硬件方模型得以完成連接，不同抽象層次的模型共同構成了SoC的硬件系統；而SoC的軟件則可以以此硬件系統為基礎，得到實際的運行和調試，最終建立起了混合建模的軟硬件協同驗證環境。 2．2 以平臺為基礎的驗證流程 基于上述驗證平臺，混合建模方法的流程如圖2所示。在系統級仿真和軟硬件劃分之后，開始軟件和硬件的并行設計，同時開始軟硬件協同驗證。協同驗證過程可以分為三個階段。在最初的驗證階段中，SoC硬件系統全部由軟件方的模型建模。隨后的階段，開始完成硬件系統中高層模型中IP模塊的逐個細化，此時，完成了RTL模塊開發的IP可從軟件建模部分移到硬件建模部分的FPGA中，還未開發出的模塊，或是未完成配置的IP仍然由軟件方的模型建模。這樣，設計人員完成一個模塊的細化，驗證人員就可以開始系統級驗證工作，而不必等到系統的全部模塊全部完成細化后才開始驗證。這樣，一方面避免了驗證等待設計的情況；另一方面，模塊的逐個細化，可以使新出現的仿真錯誤的bug被定位到最后細化的模塊中，有效降低了驗證的難度。最后的階段，除CPU之外，SoC硬件的所有模塊都被逐步移到了驗證平臺的硬件方FPGA中，即基本完成了RTL級模型的SoC軟硬件協同驗證，之后向快速原型驗證的遷移是也非常方便的，大部分的驗證環境都可以復用。
總的來說，混合建模方法的好處就在于：建立支持不同抽象層次模型的驗證環境，從而在不同層次的驗證中實現驗證環境的復用，也使得在不同層次的設計過程中始終都可以進行系統級驗證；同時糅合了軟件和硬件建模方法的特點來解決RTL模型仿真速度慢的問題，并且避免了硬件建模的低可觀測性增加系統驗證難度的問題。 3 總線功能模型BFM 在上述的驗證平臺中，BFM模塊起著混合建模方法中高層次模型與RTL模型間的轉接作用，是驗證平臺中最為關鍵的組成部分。下面詳細闡述BFM 模塊的概念和具體實現。 3．1 BFM及事務級的概念 BFM是與TL(Transaction Level，事務級)的概念分不開的。TL模型是高于RTL模型的一個抽象層次，忽略了RTL模型中具體的信號和時序信息，但是保持RTL模型中模塊的框架和模塊間數據通信的信息和周期數。TL模型最典型的例子就是符合總線接口協議的模塊，例如符合AHB總線接口的一個模塊A，模塊A的TL模型保持與其 RTL模型相同的模塊接口、模塊邊界以及內部功能，但是其內部功能只是功能性描述，不涉及硬件具體實現；模塊的接口則是忽略了AHB總線接口協議的具體信號和相關時序，只關心其總線訪問的關鍵信息，如訪問的地址、數據、完成訪問所花的周期數等。模型的優點是忽略了硬件具體實現細節，使得模型大大簡化，模型的建立和仿真都不復雜，同時又保留了部分RTL模型的特征，使得仿真結果的精確度有一定保證，滿足了系統級仿真的需求。 BFM的作用是完成TL和RTL之間的數據同步和交互。簡單的來說，BFM一方面完成了將RTL級的總線傳輸信號抽象為事務級的數據包的作用，封裝了總線傳輸中繁瑣的具體時序信息，只將其中的地址、數據等有用信息提取出來，形成TL信息，完成了抽象程度的提升；另一方面，BFM根據特定的接口標準，在TL數據的基礎上，補充其缺失的RTL時序、信號信息，還原為RTL數據，即完成抽象程度的下降。因此，BFM與模塊接口的標準是緊密結合的，一種 BFM負責一種接口標準的TL和RTL數據的相互轉化。下面以我們驗證平臺中的BFM為例，說明TL數據訪問與RTL數據訪問之間的對應關系。驗證平臺中的BFM以AHB總線為接口。 3．2 BFM的具體實現 本文中的BFM可以分為兩個組成部分：與SCE-MI協議的接口和與AHB總線的接口。與SCE-MI協議的接口部分完成TL數據的接收和發送。與AHB總線的接口部分完成總線RTL信號的驅動，其實現的關鍵在于AHB總線協議的信號識別，這里采用有限狀態機來檢測、控制AHB總線RTL信號，下面給出狀態機中控制AHB單周期總線傳輸的狀態機狀態轉移圖。如圖3所示，狀態HTRANS對應AHB時序圖中address phase周期；狀態WAIT對應Data Phase；狀態SUSPEND對應AHB時鐘停止，接收／發送TL數據的狀態；狀態ERROR對應總線傳輸出錯的情況。
BFM是為了驗證的目的而引入的一個額外模塊。BFM本身的設計和驗證雖然會增加工作量，但是由于BFM作為一個 VIP(Verification IP)，可以在不同的驗證流程中得到復用。例如，本驗證平臺中AHB總線接口的BFM，就可以在不同的使用AHB總線的SoC驗證中得到復用，相當于降低了BFM的開發復雜度。BFM遵守SCE-MI協議的規定也正是出于通用性的考慮。 4 實驗與結論 為了說明驗證平臺的可行性和驗證的高效性，以一個AC3音頻格式解碼系統為例，使用混合建模的方法構建其系統級模型并完成了驗證。AC3音頻解碼系統的硬件架構如圖4所示，系統采用ARM架構，主要由ARM處理器核、存儲器以及解碼硬件加速器IP、DAC(Digital to AnalogConverter，數模轉換器)構成。采用混合建模的方法，ARM處理器核以及存儲器部分在軟件方建模，解碼加速器IP、DAC則使用 RTL模型，在硬件方建模。實驗證明，混合建模的驗證平臺是可行的，驗證速度也在可以接受的范圍內。
總的來說，本文介紹的基于混合建模的SoC軟硬件協同驗證的方法，針對SoC驗證挑戰中最突出的問題，提出在SoC的設計過程中以混合建模的方式完成SoC整個系統的建模并開始驗證，使系統各層次之間的驗證平滑過渡，縮短了設計周期；同時也減少了軟硬件之間不協調的可能性，避免了大跨度的設計流程的迭代，并且滿足了系統級仿真的速度要求，沒有影響驗證的效率。因此，這種方法對于SoC的驗證方法的不斷完善有著一定的積極意義。 參考文獻 1. Rashinkar Prakash.Paterson Peter.Singh Leena System-on-a-Chip Verification Methodology and Techniques 2002 2. 趙剛.侯立剛.劉源.朱修殿.吳武臣 基于 SoC設計的軟硬件協同驗證方法學 [期刊論文] -微電子學與計算機2006(6) 3. Xie Fei.Yang Guowu.Song Xiaoyu Component-Based Hardware/Software Co-Verification 2006 4. Accellera Standard Co-Emulation Modeling Interface Reference Manual Version 1.10 2005 5. 劉凱.李平.廖永波 基于SCE- MI標準的事務級SoC協同仿效平臺設計 [期刊論文] -微電子學2007(5) 6. Soha Hassoun.Murali Kudlugi.Duaine Pryor A Transaction-Based Unified Architecture for Simulation and Emulation 2005(2) 作者：電子科技大學 馮博凌 李平 王憶文 來源：單片機與嵌入式系統應用 2009（5） |
