SoC软硬件协同验证平台相关技术研究

　　相对于PCB（Printed CircuitB0ard，印刷电路板）级的系统，SoC的优点是显而易见的。SoC意味着更好的电路时序和更高的可靠性，但同时SoC也意味着更复杂的逻辑。为了解决SoC的众多设计难题，SoC设计方法学中最显着的一个特征就是IP（Intellec-tual Property，知识产权）的复用技术；然而系统的复杂度决定了不可能简单地将各个IP模块集成起来就完成了SoC的设计，SoC验证成为了一个新的问题。
　　在验证问题成为SoC设计的新的挑战之后，人们逐渐提出各种应对方法。其中，SoC软硬件协同验证的思想，切实反应了SoC验证中的问题和解决方法，越来越多地受到关注。本文以SoC软硬件协同验证思想为基础，提出一种验证平台的实现；同时考虑到SoC的不同设计层次，建立起统一的高速的系统级验证环境，有效的缓解了SoC验证中的关键难题。
　　1 SoC软硬件协同验证
　　SoC设计中，系统的功能是需要SoC的软件硬件相互配合共同实现的，这就出现了软硬件接口的验证问题。在以往的系统设计流程中，由于软件的实际运行需要一个完整的可用的硬件平台，软件与硬件的接口的验证过程是在硬件全部开发完毕，至少获得了硬件原型之后。这样的开发流程最严重的问题就是，软硬件之间的接口可能出现设计上的错误。而要纠正这样的错误，要么修改软件来适应硬件（这一般都会导致系统整体性能的损失），要么修改硬件来适应软件（这又要导致硬件的设计、制造的更改，造成成本上升，设计周期延长）。无论哪一种方法都是设计者所不希望看到但是又不能保证避免的。所以，在SoC的设计方法学中，必须在软硬件的开发过程中，就完成硬件原型的建立，并开始软硬件的联合验证，即SoC软硬件协同验证。
　　2 混合建模实现SoC软硬件协同验证
　　本文在一般的SoC软硬件协同验证的基础上，提出混合建模方法（Co-Modeling），使用各种不同抽象层次的模型共同组成SoC硬件系统，直接为SoC的软件提供可运行的载体，来实现SoC软硬件协同验证。不同抽象层次的模型包括事务级模型、功能性模型的高抽象层次的模型和RTL模型。
　　2.1 验证平台架构说明
　　如图1所示，整个验证平台的架构可以分为两个部分：软件建模部分，以PC机上软件的形式建模；硬件建模部分，以FPGA的形式建模。全部的硬件部分和除“ARM软件集成开发环境”之外的软件部分都用来建模SOC硬件系统，SoC软件可以直接在这个SoC硬件系统模型上运行、调试，如图中“ARM软件集成开发环境”所示。验证平台建模的SoC硬件系统，是针对ARM架构的SoC，以AHB总线为基础。AHB总线上的各模块为建模的基本单元。
　　验证平台软件部分中最重要的模型是CPU的ISS（Instlruction Set Simulator，指令集仿真器），用来模拟SoC系统中的CPU，可以提供软件代码执行时周期准确的仿真结果。平台中使用的是ARM系列CPU的ISS，称为ARMulator。ARMulator也是ARM CPU软件集成开发环境的直接载体，SoC的软件开发人员可以在基于AR-Mulator‘的集成开发环境中运行、调试源代码，与其在真实的CPU上的运行调试完全相同。其他的总线模型，如图中所示的IP3、IP4，用来描述SoC硬件系统中除CPU之外的一些模块，最好都是SystemC语言描述的事务级模型。事务级模型是RTL级硬件模型的抽象，省略了RTL级的实现细节，但是仍然以周期数精确等方式反映了RTL级模型的特点，是设计初期系统建模的常用选择。不过考虑到验证环境的通用性，再加上ARMulator本身也并不是SystemC语言的模型，而是基于C的功能性模型，验证环境自然需要同时支持事务级模型与功能性模型，因此，验证平台也支持其他总线模块以C／C++等语言描述的功能级模型。这些模型与ARMulator都连接到AHB总线的模型上，如图1中IP3、IP4所示，AHB总线模型负责完成ARMulator。与软件方各总线模型间，以及与硬件方之间的连接。
　　验证平台硬件部分的物理载体是以FPGA为主的PCB板卡，以PCI总线为物理通道连接到PC机。SoC硬件系统中RTL模型形式的总线模块全部下载到FPGA内部，如图1中的IPl、IP2。由于FPGA内模块的RTL模型与CPU之间的总线通信数据可以在软件方得到良好的可观测性，对于以验证总线模块间通信正确性为目的的系统级验证来说，模块间通信数据的可观测性是足够的，这也就部分避免了硬件建模方法观测性不足的缺点。
　　因为软件方的模型抽象层次比硬件方RTL模型的抽象层次高，所以要想把软件方模型和硬件方模型组合起来形成可用的SoC硬件系统，就必须完成这两种抽象层次之间的数据同步和交换，这个任务是BFM完成的。BFM的具体实现将在后面详细阐述。总体的效果是，在软件方模型看来，BFM代表了硬件上的RTL模型，对软件方隐藏了RTL模型的实现细节，软件方只需要访问BFM，就得到了相应模块的数据；而在硬件方模型看来，BFM代表了软件方的所有总线模块，BFM驱动的RTL级总线信号就是由软件方中各总线模块的总线访问转化而来的。
　　硬件方与软件方接口的实现，以PCI总线为基础，遵守SCE-MI（Standard C-Emulation Modeling Interface）协议。SCE-MI是。Accellera组织提出的用于规范协同仿效平台中软件方与硬件方之间的接口的协议，是业界实际的标准，目前已被多个商业化验证平台支持。本验证平台的BFM遵守SCE-MI协议接口，也是为了验证平台以及BFM本身的通用性。
　　如上所述，通过BFM的层次转接作用，软件方模型和硬件方模型得以完成连接，不同抽象层次的模型共同构成了SoC的硬件系统；而SoC的软件则可以以此硬件系统为基础，得到实际的运行和调试，最终建立起了混合建模的软硬件协同验证环境。
　　2.2 以平台为基础的验证流程
　　基于上述验证平台，混合建模方法的流程如图2所示。在系统级仿真和软硬件划分之后，开始软件和硬件的并行设计，同时开始软硬件协同验证。协同验证过程可以分为三个阶段。在最初的验证阶段中，SoC硬件系统全部由软件方的模型建模。随后的阶段，开始完成硬件系统中高层模型中IP模块的逐个细化，此时，完成了RTL模块开发的IP可从软件建模部分移到硬件建模部分的FPGA中，还未开发出的模块，或是未完成配置的IP仍然由软件方的模型建模。这样，设计人员完成一个模块的细化，验证人员就可以开始系统级验证工作，而不必等到系统的全部模块全部完成细化后才开始验证。这样，一方面避免了验证等待设计的情况；另一方面，模块的逐个细化，可以使新出现的仿真错误的bug被定位到最后细化的模块中，有效降低了验证的难度。最后的阶段，除CPU之外，SoC硬件的所有模块都被逐步移到了验证平台的硬件方FPGA中，即基本完成了RTL级模型的SoC软硬件协同验证，之后向快速原型验证的迁移是也非常方便的，大部分的验证环境都可以复用。
　　总的来说，混合建模方法的好处就在于：建立支持不同抽象层次模型的验证环境，从而在不同层次的验证中实现验证环境的复用，也使得在不同层次的设计过程中始终都可以进行系统级验证；同时糅合了软件和硬件建模方法的特点来解决RTL模型仿真速度慢的问题，并且避免了硬件建模的低可观测性增加系统验证难度的问题。
　　3 总线功能模型
　　在上述的验证平台中，BFM模块起着混合建模方法中高层次模型与RTL模型间的转接作用，是验证平台中最为关键的组成部分。下面详细阐述BFM模块的概念和具体实现。
　　3.1 BFM及事务级的概念
　　BFM是与TL（Transaction Level，事务级）的概念分不开的。TL模型是高于RTL模型的一个抽象层次，忽略了RTL模型中具体的信号和时序信息，但是保持RTL模型中模块的框架和模块间数据通信的信息和周期数。TL模型最典型的例子就是符合总线接口协议的模块，例如符合AHB总线接口的一个模块A，模块A的TL模型保持与其RTL模型相同的模块接口、模块边界以及内部功能，但是其内部功能只是功能性描述，不涉及硬件具体实现；模块的接口则是忽略了AHB总线接口协议的具体信号和相关时序，只关心其总线访问的关键信息，如访问的地址、数据、完成访问所花的周期数等。模型的优点是忽略了硬件具体实现细节，使得模型大大简化，模型的建立和仿真都不复杂，同时又保留了部分RTL模型的特征，使得仿真结果的精确度有一定保证，满足了系统级仿真的需求。
　　BFM的作用是完成TL和RTL之间的数据同步和交互。简单的来说，BFM一方面完成了将RTL级的总线传输信号抽象为事务级的数据包的作用，封装了总线传输中繁琐的具体时序信息，只将其中的地址、数据等有用信息提取出来，形成TL信息，完成了抽象程度的提升；另一方面，BFM根据特定的接口标准，在TL数据的基础上，补充其缺失的RTL时序、信号信息，还原为RTL数据，即完成抽象程度的下降。因此，BFM与模块接口的标准是紧密结合的，一种BFM负责一种接口标准的TL和RTL数据的相互转化。下面以我们验证平台中的BFM为例，说明TL数据访问与RTL数据访问之间的对应关系。验证平台中的BFM以AHB总线为接口。
　　3.2 BFM的具体实现
　　本文中的BFM可以分为两个组成部分：与SCE-MI协议的接口和与AHB总线的接口。与SCE-MI协议的接口部分完成TL数据的接收和发送。与AHB总线的接口部分完成总线RTL信号的驱动，其实现的关键在于AHB总线协议的信号识别，这里采用有限状态机来检测、控制AHB总线RTL信号，下面给出状态机中控制AHB单周期总线传输的状态机状态转移图。如图3所示，状态HTRANS对应AHB时序图中address phase周期；状态WAIT对应Data Phase；状态SUSPEND对应AHB时钟停止，接收／发送TL数据的状态；状态ERROR对应总线传输出错的情况。
　　BFM是为了验证的目的而引入的一个额外模块。BFM本身的设计和验证虽然会增加工作量，但是由于BFM作为一个VIP（Verification IP），可以在不同的验证流程中得到复用。例如，本验证平台中AHB总线接口的BFM，就可以在不同的使用AHB总线的SoC验证中得到复用，相当于降低了BFM的开发复杂度。BFM遵守SCE-MI协议的规定也正是出于通用性的考虑。
　　4 实验与结论
　　为了说明验证平台的可行性和验证的高效性，以一个AC3音频格式解码系统为例，使用混合建模的方法构建其系统级模型并完成了验证。AC3音频解码系统的硬件架构如图4所示，系统采用ARM架构，主要由ARM处理器核、存储器以及解码硬件加速器IP、DAC（Digital to AnalogConverter，数模转换器）构成。采用混合建模的方法，ARM处理器核以及存储器部分在软件方建模，解码加速器IP、DAC则使用RTL模型，在硬件方建模。实验证明，混合建模的验证平台是可行的，验证速度也在可以接受的范围内。
　　总的来说，本文介绍的基于混合建模的SoC软硬件协同验证的方法，针对SoC验证挑战中最突出的问题，提出在SoC的设计过程中以混合建模的方式完成SoC整个系统的建模并开始验证，使系统各层次之间的验证平滑过渡，缩短了设计周期；同时也减少了软硬件之间不协调的可能性，避免了大跨度的设计流程的迭代，并且满足了系统级仿真的速度要求，没有影响验证的效率。因此，这种方法对于SoC的验证方法的不断完善有着一定的积极意义。