基于C++TCL PLI聯(lián)合仿真下的芯片驗(yàn)證方法研究

0 引 言
    當(dāng)今社會(huì)，芯片技術(shù)與人們的生活密切相關(guān)，在各種電子產(chǎn)品中都有芯片的身影，而且，它們往往是電子產(chǎn)品關(guān)鍵的核心技術(shù)。制造芯片的流程非常復(fù)雜而且資源投入巨大，保證芯片的設(shè)計(jì)質(zhì)量非常重要。驗(yàn)證工作是芯片制造過(guò)程中及其關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，無(wú)缺陷的芯片不是設(shè)計(jì)出來(lái)的，而是驗(yàn)證出來(lái)的，驗(yàn)證過(guò)程是否準(zhǔn)確與完備，在一定程度上決定了一個(gè)芯片的命運(yùn)。
    目前在百萬(wàn)門(mén)級(jí)以上的ASIC，IP，SoC設(shè)計(jì)時(shí)代，驗(yàn)證約消耗整個(gè)設(shè)計(jì)工作的70％，需要專職的驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)，而且驗(yàn)證團(tuán)隊(duì)人數(shù)通常是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的1．5～2倍。隨著設(shè)計(jì)規(guī)模的擴(kuò)大，芯片驗(yàn)證的重要性達(dá)到了一個(gè)新的高度，但對(duì)驗(yàn)證方法也提出了更多的要求，怎樣搭建高效穩(wěn)定的驗(yàn)證模型成為目前研究的熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹如何搭建一種分層次的驗(yàn)證模型，以及如何使用這套驗(yàn)證模型進(jìn)行仿真。

1 驗(yàn)證架構(gòu)
    驗(yàn)證架構(gòu)通常稱為testbench，如圖1所示，可以把驗(yàn)證架構(gòu)分為激勵(lì)源、發(fā)送器、接收器、參考模型和記分牌五個(gè)部分。激勵(lì)源屬于腳本層，發(fā)送器和接收器屬于時(shí)序?qū)樱瑓⒖寄Ｐ秃陀浄峙茖儆谲浖印?/p>

    激勵(lì)源 仿真的數(shù)據(jù)在激勵(lì)源中生成，它是一個(gè)TCL腳本語(yǔ)言解釋器，激勵(lì)代碼采用TCL解釋性腳本語(yǔ)言編寫(xiě)，激勵(lì)生成之后會(huì)放到發(fā)送端共享緩存區(qū)中，這個(gè)過(guò)程在設(shè)計(jì)代碼開(kāi)始仿真之前。
    發(fā)送器 當(dāng)仿真開(kāi)始后發(fā)送器會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)條件把數(shù)據(jù)從發(fā)送端共享緩存區(qū)中取出來(lái)，傳遞到設(shè)計(jì)模塊和參考模型中，發(fā)送器由Verilog代碼編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)，需要設(shè)計(jì)自己的PLI函數(shù)用來(lái)作為與發(fā)送端共享緩存區(qū)傳遞數(shù)據(jù)的接口。
    接收器 接收器用來(lái)采集設(shè)計(jì)模塊處理后的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)放到接收端共享緩存區(qū)中，用于記分牌讀取數(shù)據(jù)，接收器由Verilog代碼編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)，需要設(shè)計(jì)自己的PLI函數(shù)用來(lái)作為和接收端共享緩存區(qū)傳遞數(shù)據(jù)的接口。
    參考模型分析激勵(lì)源的數(shù)據(jù)并產(chǎn)生和設(shè)計(jì)模塊用來(lái)校驗(yàn)結(jié)果，由于驗(yàn)證人員和設(shè)計(jì)人員的理解思路不同，參考模型的功能和設(shè)計(jì)模塊的功能也不同，但隨著驗(yàn)證過(guò)程的推進(jìn)，兩者應(yīng)該收斂于需求規(guī)格書(shū)，參考模型基于C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。記分牌記分牌從接收端共享緩存區(qū)取出數(shù)據(jù)和參考模型的分析結(jié)果并進(jìn)行比較，把每次比較的結(jié)果記錄下來(lái)，以便驗(yàn)證人員定位問(wèn)題，記分牌基于C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

2 腳本層關(guān)鍵技術(shù)
    編寫(xiě)激勵(lì)源數(shù)據(jù)屬于驗(yàn)證過(guò)程的腳本層，為了高效地生成數(shù)據(jù)，使用TCL腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。TCL與C／C++等編譯性語(yǔ)言的最大區(qū)別是當(dāng)TCL語(yǔ)言編寫(xiě)好之后不用通過(guò)軟件編譯就可以直接運(yùn)行，運(yùn)行一行就是“解釋”一行，“解釋”的過(guò)程通過(guò)TCL解釋器完成。TCL擁有一個(gè)固有的核心命令集，同時(shí)還具有和C／C++語(yǔ)言類似的控制結(jié)構(gòu)，如if控制、循環(huán)控制和switch控制等，并支持過(guò)程的定義和調(diào)用，對(duì)數(shù)組和字符串等簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也提供了支持，然而TCL標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供的命令可能不會(huì)滿足需要．這時(shí)要針對(duì)某一特定應(yīng)用領(lǐng)域?qū)CL語(yǔ)言的核心命令集合進(jìn)行擴(kuò)展，加入適合于自己使用的擴(kuò)展命令。
    擴(kuò)展TCL命令主要采用編寫(xiě)二進(jìn)制程序包的方法，二進(jìn)制程序包本身并不嵌入TCL解釋器，而是一些用C／C++編寫(xiě)的擴(kuò)展命令的集合。任何標(biāo)準(zhǔn)的TCL解釋器都可以用加載的方法使用二進(jìn)制程序包中的擴(kuò)展命令，Modelsim仿真工具集成了TCL解釋器。擴(kuò)展一個(gè)TCL命令大致可以分為兩步：編寫(xiě)擴(kuò)展命令對(duì)應(yīng)的C／C++過(guò)程和注冊(cè)命令。TCL擴(kuò)展命令的函數(shù)原型為：int Tcl_CmdProc(ClientData，Tcl_In-terp *interp，int argc，char *argv[])，參數(shù)clientData由TCL調(diào)用者傳人，其值在注冊(cè)擴(kuò)展函數(shù)時(shí)設(shè)置；參數(shù)interp也由TCL調(diào)用者傳入，是指向解釋器結(jié)構(gòu)的指針；參數(shù)argc和argv與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的命令行參數(shù)argc,argv的含義類似，其中argc是被調(diào)用參數(shù)的個(gè)數(shù)，argv[0]是被調(diào)用的命令本身，argv[argc]是NULL，而argv[1]到argv[argc-1]才是真正的參數(shù)。編寫(xiě)好的擴(kuò)展命令還需要注冊(cè)，如果注冊(cè)成功就可以在TCL解釋器中使用了，注冊(cè)過(guò)程在初始化函數(shù)中進(jìn)行，TCL注冊(cè)函數(shù)原型為T(mén)cl_CreateCommand(Tcl_Interp*interp，char *cmdName，Tcl_CmdProc *proc，Client-Data clientData，Tcl_CmdDeleteProc *deleteProc)，cmd-Name是解釋器中使用的命令名，proc為編寫(xiě)的擴(kuò)展函數(shù)名。需要注意的是TCL初始化函數(shù)的名稱必須是首字母大寫(xiě)的DLL文件主文件名+一個(gè)下劃線+首字母大寫(xiě)的Init組成。

3 時(shí)序?qū)雨P(guān)鍵技術(shù)
    編寫(xiě)發(fā)送器和接收器屬于驗(yàn)證過(guò)程的時(shí)序?qū)樱瑫r(shí)序?qū)右舶ū焕脑O(shè)計(jì)模塊。腳本層生成的激勵(lì)數(shù)據(jù)是用TCL語(yǔ)言編寫(xiě)的，而發(fā)送器和接收器是使用硬件描述語(yǔ)言Verilog編寫(xiě)，為了實(shí)現(xiàn)兩種語(yǔ)言的數(shù)據(jù)傳遞，需要使用PLI接口編程語(yǔ)言完成兩者的結(jié)合，從而達(dá)到將激勵(lì)數(shù)據(jù)正確傳送到設(shè)計(jì)模塊和參考模型以及收集設(shè)計(jì)模塊輸出數(shù)據(jù)的目的，完成仿真這一過(guò)程。PLI函數(shù)對(duì)應(yīng)發(fā)送器和接收器中調(diào)用的任務(wù)，它使用C++語(yǔ)言擴(kuò)展，在Verilog代碼中使用，主要包括四個(gè)C++函數(shù)：calltf，cheektf，sizetf，misctf函數(shù)，一般情況下只需要編寫(xiě)其中的三個(gè)函數(shù)checktf，misctf和calltf函數(shù)。編寫(xiě)完這三個(gè)函數(shù)之后，要注冊(cè)PLI函數(shù)對(duì)應(yīng)的Verilog代碼中使用的系統(tǒng)任務(wù)或函數(shù)，提供每個(gè)系統(tǒng)任務(wù)和函數(shù)的名字以及相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，使用結(jié)構(gòu)體s_tfeell在C++代碼中來(lái)注冊(cè)PLI函數(shù)。
    calltf函數(shù)在仿真運(yùn)行時(shí)被調(diào)用，即仿真執(zhí)行到發(fā)送器或接收器中定義好的PLI任務(wù)時(shí)，就會(huì)調(diào)用該任務(wù)對(duì)應(yīng)的calltf函數(shù)；checktf函數(shù)在仿真開(kāi)始運(yùn)行前被仿真器調(diào)用，換句話說(shuō)，在仿真時(shí)刻0，這個(gè)函數(shù)可以由仿真器的編譯器調(diào)用，checktf函數(shù)的主要目的是校驗(yàn)一個(gè)系統(tǒng)／任務(wù)是否被正確使用和加載環(huán)境設(shè)置命令；misctf函數(shù)在仿真運(yùn)行時(shí)的各種混雜事件情況下被調(diào)用，根據(jù)PLI函數(shù)調(diào)用變量的屬性選擇相應(yīng)的處理策略。
    PLI函數(shù)要實(shí)現(xiàn)的具體功能在calltf函數(shù)中編寫(xiě)，在這個(gè)函數(shù)中可以通過(guò)使用tf_getp(n)和tf_putp(n，val-ue)函數(shù)讀取時(shí)序?qū)拥臄?shù)據(jù)和對(duì)時(shí)序?qū)拥臄?shù)據(jù)賦值，其中n表示變量的位置，value表示變量要賦的值。如果時(shí)序?qū)拥臄?shù)據(jù)為數(shù)組類型，使用tf_nodeinfo()函數(shù)讀取和修改Verilog內(nèi)存數(shù)組和變量數(shù)組中的內(nèi)容。當(dāng)調(diào)用tf_nodeinfo()函數(shù)來(lái)訪問(wèn)Verilog數(shù)組中的值時(shí)，函數(shù)將返回一個(gè)指向仿真數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中數(shù)組實(shí)際存儲(chǔ)空間的指針。一旦PLI應(yīng)用獲得了該指針，數(shù)組中的值在仿真過(guò)程中既可以被讀取也可以被修改。要訪問(wèn)數(shù)組，并不需要每次都調(diào)用tf_nodeinfo()函數(shù)，只需要保存好初次調(diào)用tf_nodeinfo()獲得的數(shù)組指針，tf_nodeinfo()需要在系統(tǒng)函數(shù)／任務(wù)調(diào)用時(shí)在參數(shù)中指定一個(gè)選定的單元。

4 軟件層關(guān)鍵技術(shù)
    編寫(xiě)參考模型和記分牌屬于驗(yàn)證過(guò)程的軟件層，采用C++語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。把這兩個(gè)驗(yàn)證組件設(shè)計(jì)成兩個(gè)函數(shù)，分別為Pan_rm(char *s_indata，vector<char*>vr_outdata)和Pan_check(char*s_indata，vector<char*>vc_outdata)，函數(shù)入口參數(shù)為字符指針類型的原因是TCL腳本語(yǔ)言處理的全部是字符類型的變量，腳本層生成的激勵(lì)數(shù)據(jù)為字符類型。
    當(dāng)仿真執(zhí)行到Verilog代碼中PLI任務(wù)的時(shí)候，PLI函數(shù)中的calltf()會(huì)調(diào)用Pan_rm函數(shù)或Pan_check函數(shù)。在發(fā)送器中，calltf()把發(fā)送端共享緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)取出并傳給。Pan_rm函數(shù)，Pan_rm函數(shù)把入口的字符類型變量轉(zhuǎn)換成整型變量，然后根據(jù)需求規(guī)格做相應(yīng)的處理，最后把處理結(jié)果放入共享隊(duì)列；在接收器中，calltf()收集設(shè)計(jì)模塊的處理結(jié)果并傳給Pan_check函數(shù)，Pan_check函數(shù)取出共享隊(duì)列里面對(duì)應(yīng)的Pan_rm函數(shù)的處理結(jié)果并與Pan_check函數(shù)的入口數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，把比較的結(jié)果存人到接收端共享緩存區(qū)，最后打印結(jié)果到一個(gè)輸出文件中以便驗(yàn)證人員定位問(wèn)題。

5 共享緩存區(qū)
    為了實(shí)現(xiàn)腳本層，時(shí)序?qū)雍蛙浖幽軌蚴褂霉蚕砭彺鎱^(qū)，要把C++擴(kuò)展的TCL命令、編寫(xiě)的PLI函數(shù)命令以及軟件層代碼寫(xiě)在同一個(gè)C++工程文件里，定義全局變量作為共享緩存區(qū)實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次的互聯(lián)，最后通過(guò)VC編譯代碼以動(dòng)態(tài)庫(kù)的形式加載到仿真器里面去。

6 結(jié) 語(yǔ)
    TCL腳本命令在仿真之前運(yùn)行，一經(jīng)執(zhí)行所有的激勵(lì)數(shù)據(jù)就會(huì)生成，在PLI函數(shù)的checktf()例程里面獲取modelsim的TCL解釋器，并用TCL初始化函數(shù)將其初始化，這樣擴(kuò)展的TCL命令就可以在Modelsim的解釋器里使用了。

    需要注意的是，如果不在PLI函數(shù)的checktf()例程里面獲取并初始化Modelsim的TCL解釋器，那么PLI函數(shù)是加載在Modelsim內(nèi)核的，如果要修改PLI函數(shù)里面調(diào)用的全局變量，要在擴(kuò)展的TCL命令之前加上vsim_kernel，這樣才可以修改全局變量。當(dāng)驗(yàn)證組件準(zhǔn)備好、驗(yàn)證環(huán)境搭建完畢后，編寫(xiě)自動(dòng)運(yùn)行腳本執(zhí)行仿真過(guò)程，按照如圖2所示的操作流程自動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證工作：運(yùn)行自動(dòng)腳本，啟動(dòng)仿真器，加載動(dòng)態(tài)庫(kù)，Modelsim的TCL解釋器運(yùn)行TCL腳本，開(kāi)始仿真推進(jìn)仿真時(shí)間，觸發(fā)發(fā)送器的PLI函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，軟件層分析數(shù)據(jù)得到結(jié)果，設(shè)計(jì)模塊分析數(shù)據(jù)得到結(jié)果，觸發(fā)接收器的PLI函數(shù)收集數(shù)據(jù)，軟件層比較數(shù)據(jù)，打印分析結(jié)果。