仿真設(shè)計數(shù)據(jù)中心為驗證工程師帶來福音

如今，越來越多的設(shè)計在系統(tǒng)層面進行，這是前所未有的。而讓這一切得以實現(xiàn)的，是硬件仿真技術(shù)。硬件仿真允許將寄存器傳輸級（RTL）源代碼作為模型，但同時又能提供足夠的處理能力支持系統(tǒng)級工作，特別是涉及到軟件開發(fā)或運行軟件工作負荷的情況。

因此，硬件仿真已取代了興盛30余年的RTL模擬器，成為萬眾矚目的焦點。需要注意的是，我并非在此提倡大家摒棄RTL模擬器。在早期設(shè)計階段的硬件驗證過程，RTL模擬器當(dāng)然是首選，而且是無與倫比的。它能快速編譯一個設(shè)計頁面，還具有某種程度的互動“假設(shè)”分析，在設(shè)計尺寸有限的情況下，其他任何工具都望塵莫及。

對于知識產(chǎn)權(quán)（IP）模塊來說，的確如此。然而對于系統(tǒng)集成和系統(tǒng)驗證測試而言，在需要對軟硬件同時進行測試的情況下，軟件仿真則太過緩慢，而且不切實際。需要一個數(shù)據(jù)點嗎？我們假設(shè)，一個1億等效門的ASIC以100 MHz的頻率運行，一個設(shè)計團隊嘗試仿真它一秒鐘的真實數(shù)據(jù)。我們不妨大方地假設(shè)仿真器以100Hz的頻率運行，那么將耗時100萬秒--即277小時，或11天。相比之下，一個以1MHz的頻率運行的硬件仿真器則只需要100秒。我的假設(shè)到此為止。

但是這種解決方案成本不菲，因此仿真數(shù)據(jù)中心便應(yīng)運而生且廣受驗證工程師的青睞。為創(chuàng)建可服務(wù)于世界各地的諸多驗證工程師及軟件開發(fā)人員的仿真設(shè)計數(shù)據(jù)中心，需要滿足以下三個條件。系統(tǒng)必須支持：

● 非常強大的設(shè)計容量和多個并發(fā)用戶

● 遠程訪問

● 資源管理

我們來逐一進行詳細討論。

滿足設(shè)計容量與多用戶的需求

設(shè)計尺寸將分布曲線往上推至幾億ASIC等效門。極端情況下，有些設(shè)計已經(jīng)超過10億門。通常情況下，IP組塊達到數(shù)以千萬計門。與此同時，設(shè)計團隊在擴招軟件開發(fā)人員，其數(shù)量大大超過硬件設(shè)計師的人數(shù)。在擁有如此多樣化的設(shè)計社區(qū)的公司，需要一個容量為數(shù)百億門、7*24小時不間斷運行的硬件仿真平臺。

目前，最大的硬件仿真平臺可提供的容量上限為數(shù)十億門，足以創(chuàng)建有史以來最大的設(shè)計，卻仍然無法滿足一家大公司的需求。處理嵌入式軟件需要依次運行數(shù)十億周期。倘若速度為1MHz,則運行10億周期需要1,000秒的時間。若單個設(shè)計需消耗所有的仿真資源，那么該設(shè)計任務(wù)將在運行期間獨占整個硬件仿真器，其他所有用戶在此期間將無法使用。這種情況可能需要數(shù)小時的時間。

這一問題可通過兩種方法得到解決。第一種方法是，硬件仿真平臺的架構(gòu)需支持多個并發(fā)用戶共享仿真資源，但要注意的是，任何進程都無法獨占整個平臺容量。第二種方法即建立一個由數(shù)個硬件仿真平臺構(gòu)成的仿真工廠。這種方法將得到仿真器供應(yīng)商的青睞。

例如，Mentor Graphics的Veloce2可在其雙Maximus平臺中支持大約20億門設(shè)計，可供多達128個用戶同時使用。具體的用戶數(shù)還和設(shè)計大小有關(guān)，Veloce2 Maximus可支持以上任意組合（圖表1）。

圖1.通常情況下，多個并發(fā)用戶有不同的設(shè)計容量需求。

Veloce2的硬件架構(gòu)已從頭開始重新設(shè)計，以避免將多個單獨的機箱拼湊在一起。與計算機服務(wù)器類似，它包含多個機架，配備了邏輯板、電源和連接背板。還包括高級驗證板（AVBs）、電源架、以及采用活動開關(guān)連接各AVBs的矩陣板?？偠灾?，該系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。一個雙Maximus平臺即可滿足任何公司的容量需求，無論是大的單個設(shè)計還是需要多種設(shè)計尺寸的批量用戶。

遠程訪問

遠程訪問帶來了一種主導(dǎo)驗證領(lǐng)域30余年且廣受歡迎的仿真資源配置模式的終結(jié)。在線仿真器（ICE）模式下，硬件仿真器內(nèi)映射的待測設(shè)計（DUT）連接到實際芯片待命的目標(biāo)系統(tǒng)。

目標(biāo)系統(tǒng)可能包括大量的物理設(shè)備。不幸的是，由于快速目標(biāo)系統(tǒng)與實際設(shè)備在處理速度上的巨大差距，且硬件模擬器內(nèi)的相對緩慢的設(shè)計可能僅為兩個或三個數(shù)量級，因此直接連接是不可能的。

基本上都需要采用一個速度適配器進行連接，以讓高時鐘頻率的芯片適應(yīng)低時鐘頻率的硬件仿真器。速度適配器的選擇應(yīng)基于不同的設(shè)計及目標(biāo)系統(tǒng)的接口類型，如PCI Express、USB和以太網(wǎng)。ICE對于實際通信流量情景測試來說是非常好的，例如檢驗設(shè)計中帶有的SATA磁盤驅(qū)動器是否能有效工作。

另外，在涉及物理目標(biāo)的ICE模式下，保存和還原也極具挑戰(zhàn)性。假設(shè)用戶有一個磁盤驅(qū)動器連接到映射在硬件仿真器內(nèi)的DUT上，并試圖保存DUT狀態(tài)。由于磁盤驅(qū)動器持續(xù)轉(zhuǎn)動，且其狀態(tài)無法保存，因而用戶無法使用硬件仿真器的內(nèi)置功能執(zhí)行該任務(wù)。

遠程訪問使硬件仿真器成為一種共享資源，可供一個極其廣闊的地域范圍內(nèi)諸多用戶及團體使用，其中不少用戶甚至可能位于地球的另一端，與我們有十幾個時區(qū)之隔。為了完成這一任務(wù)，ICE模式需要一組技術(shù)人員7*24小時持續(xù)不斷地為每個用戶及每個設(shè)計插拔速度適配器，這完全不現(xiàn)實。

假如ICE無法實現(xiàn)，那么是否有其他方法支持遠程訪問呢？答案是肯定的。這種方法時常被稱為“無目標(biāo)仿真”,它采用軟件測試環(huán)境來替代物理測試臺。最簡單的實現(xiàn)情況下，.它可能基于可綜合的測試平臺，消除了和外部世界的關(guān)聯(lián)從而達到全速仿真。

然而，可綜合測試平臺會限制設(shè)計師的創(chuàng)造力與靈活性。另一方面，非可綜合性測試平臺，特別是采用硬件驗證語言（HVL）編寫的測試平臺需要采用軟件仿真器執(zhí)行，而且還需要一個編程接口語言（PLI）接口和運行DUT的硬件仿真器連接。這些因素都會對平臺性能造成影響，

但我們?nèi)阅茉O(shè)法解決此問題。

20世紀(jì)90年代末期，IKOS（于2002年被Mentor Graphic收購）首創(chuàng)了把測試平臺中驅(qū)動DUT的比特信號級接口，移至可重復(fù)利用的獨立單元。任何接口都是一個可綜合的基于協(xié)議的狀態(tài)機或總線功能模型。

這種方法有兩個重大的益處。首先，可在更高層次的抽象界面使用數(shù)行代碼編寫測試程序。這樣編寫起來更容易，執(zhí)行起來速度也更快，映射到硬件仿真器內(nèi)的總線功能模塊的速度也會顯著提高。IKOS將該總線功能模塊稱作執(zhí)行器（transactors），將新的仿真模式稱為協(xié)同建模（co-modeling）。

用于測試平臺加速的TBX是一種基于交易的驗證模式，是一種新興的行業(yè)趨勢。用戶在不同的設(shè)計間切換時，或新用戶登錄時，都無需專人監(jiān)督插拔速度適配器。這種模式為遠程訪問奠定了基礎(chǔ)。

三家仿真器供應(yīng)商--Cadence Design Systems、Mentor Graphics、Synopsys--均支持通過基于交易的方法進行遠程訪問。某個供應(yīng)商創(chuàng)造了一種虛擬驗證環(huán)境，相當(dāng)于一個虛擬實驗室，即類似于物理實驗室，但采用虛擬設(shè)備建造而成。該虛擬實驗室合并采用了三種技術(shù)：硬件仿真、基于交易的驗證、ICE目標(biāo)。

一套虛擬設(shè)備包括一個在主工作站上運行的軟件堆棧，主工作站采用交易執(zhí)行器接口與硬件仿真器上運行的協(xié)議IP進行通信。這種捆綁帶來了一種協(xié)議解決方案，用戶可在設(shè)備驅(qū)動器層面驗證IP并采用實際軟件和設(shè)備驅(qū)動器自身來驗證DUT.（圖表2）。

圖2.USB3.0大容量存儲可在仿真環(huán)境中作為虛擬外圍設(shè)備建模。

虛擬實驗室與ICE目標(biāo)解決方案功能相當(dāng)，但去除了電纜和硬件適配器，因為虛擬設(shè)備采用現(xiàn)有的驗證軟件IP與硬件仿真器上的特定協(xié)議RTL設(shè)計IP和DUT進行通信。相比于硬件ICE目標(biāo)，虛擬設(shè)備具備以下優(yōu)勢：

● 便于遠程使用。因為只要安裝了協(xié)同模塊主機，無需將額外的硬件連接到硬件仿真器便可安裝虛擬設(shè)備。

● 靈活性更高。單個硬件加速器資源可供多個設(shè)計團隊分享，因為硬件仿真器上運行的DUT無需電纜連接，且分區(qū)限制較少。

● 無需對專門的硬件進行特定訪問，便可定義功能控制器上運行的目標(biāo)協(xié)議軟件棧的可見性。

● 目標(biāo)協(xié)議函數(shù)控制器核的可見性/可追溯性可通過對提交的RTL源代碼的簡單IP保護進行定義，且監(jiān)視器和檢查器運行時，方便訪問標(biāo)準(zhǔn)總線。

虛擬環(huán)境允許用戶通過虛擬調(diào)試接口（JTAG）探針對嵌入式軟件進行調(diào)試，而無需采用實體JTAG探針。探針采用JTAG協(xié)議的優(yōu)點在于，通常不會受到硬件仿真器慢速時鐘頻率的影響。當(dāng)將物理設(shè)備連接到硬件仿真器中運行的虛擬設(shè)計時，需要減少時鐘頻率和數(shù)據(jù)頻率以匹配硬件仿真器中設(shè)計的速度。采用了虛擬JTAG,硬件仿真器便能隨時停止，時鐘頻率變化時也無需擔(dān)心干擾與軟件調(diào)試器的連接。

但缺點是，JTAG連接會對被調(diào)試的設(shè)計的狀態(tài)產(chǎn)生影響。JTAG探針技術(shù)的替代選擇是使用基于跟蹤的系統(tǒng)來啟用硬件仿真器上運行的程序調(diào)試?；镜奶幚砥鞲櫰骺商峁┨幚砥髦邪l(fā)生所有事件的列表。

一家供應(yīng)商提供了一種離線軟件調(diào)試工具用于仿真。這種離線軟件調(diào)試工具基于跟蹤器，包括對處理器狀態(tài)的傳統(tǒng)調(diào)試器視圖，并執(zhí)行所有的符號表和處理器狀態(tài)解碼。由于采用了跟蹤技術(shù)，它不會對正在運行的系統(tǒng)操作產(chǎn)生影響或干擾。仿真過程完成后，可以脫離回放數(shù)據(jù)庫運行，且運行速度可達100 MIPS.

復(fù)雜的資源管理

越來越多開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的公司擁有較大的硬件設(shè)計師和嵌入式軟件開發(fā)人員團隊，他們通常分布于世界各地，或位于不同的洲。要服務(wù)于這樣的企業(yè)，硬件仿真器平臺需要充足的設(shè)計能力和遠程控制，但僅滿足這兩個要求仍然不夠。還有一個極其微妙的需求，即先進的資源管理。

任何現(xiàn)代仿真系統(tǒng)都由主板構(gòu)成，主板又由機箱中的背板互相連接而成。多個機箱連接在一起，設(shè)計能力便得以擴大，可超過十億門。為吸引開發(fā)團隊，須對這些資源進行自動化管理。

從開發(fā)周期的早期到最終的系統(tǒng)集成及交付階段，設(shè)計團隊需要不分晝夜地處理大量仿真工作。包括IP、子系統(tǒng)以及整個系統(tǒng)層面的硬件驗證任務(wù)，以及任何形式的嵌入式軟件驗證工作，從軟件驗證例程到驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和診斷。有些步驟需要有限的容量，而其他步驟則需要全部的設(shè)計能力。而且，這僅僅是針對單個設(shè)計項目而言。通常情況下，大公司長期都同時進行幾十個設(shè)計項目，盡管只有少數(shù)幾個項目能最終投產(chǎn)。因此情況更為復(fù)雜。

我們再次以Mentor Graphics的Veloce2為例。其完全擴展的雙Maximus配置包含8個Quattro機箱，每個機箱中又包含16個主板。這樣一個平臺可以支持多達128個并發(fā)用戶。工作過程中可能隨時需要對各種資源（AVBs）進行實時重新分配。倘若要手工執(zhí)行這些任務(wù)，那必將是一個噩夢（圖表3）。

圖3.Mentor Graphics的Veloce2 Maximus平臺可支持多達128個并發(fā)用戶。

此外，為提高效率，資源管理器必須采用作業(yè)調(diào)度優(yōu)先級機制，因為有些工作可能具有更高的優(yōu)先級。Platform Computing用于作業(yè)調(diào)度的載荷分享設(shè)施（LSF）或許能對工作優(yōu)先級進行安排調(diào)度，但功能仍然有待完善。

而且工作優(yōu)先級可能會隨時發(fā)生變化，這讓情況變得更為復(fù)雜。當(dāng)有更高優(yōu)先級的工作要求馬上執(zhí)行時，必須有支持“暫停/恢復(fù)”功能的設(shè)計，以便隨時停止當(dāng)前的進程（圖表4）。

圖4.“暫停/恢復(fù)”功能可對工作進行列隊和優(yōu)先級處理。

相比于十年前，硬件仿真器的可靠性已大大提高，但仍然無法稱之為完美。因為硬件經(jīng)常會出現(xiàn)故障，當(dāng)這種情況發(fā)生時，避免硬件仿真器發(fā)生任何停機的情況，是至關(guān)重要的，否則會影響最終的交付時間。資源管理器必須在不強迫主板上運行的設(shè)計重新編譯的情況下，對故障主板進行隔離。同樣重要的是，還要追蹤硬件仿真器的使用情況，包括日常維護調(diào)度、運行診斷和提交報告結(jié)果。

　　結(jié)論

基于仿真的現(xiàn)代驗證方法需具備供數(shù)十名軟硬件工程師同時使用的遠程服務(wù)器工廠，以驗證日益復(fù)雜的設(shè)計。

為提高效率，硬件仿真服務(wù)器須采用無需大量使用電纜便能進行容量擴張的模塊方法從頭開始設(shè)計?？傮w容量必須足以支持包含數(shù)十億門和數(shù)十個并發(fā)用戶透明管理的最大設(shè)計項目。

同時提交多個仿真工作時，應(yīng)使用排隊程序，在不干擾服務(wù)器的情況下按照工作優(yōu)先級的高低進行處理。用戶應(yīng)避免工作的細節(jié)處理和由硬件依賴性導(dǎo)致的編譯設(shè)計調(diào)整。

仿真供應(yīng)商的當(dāng)務(wù)之急是通過故障保護機制來提高硬件仿真的可靠性。理論上說，仿真服務(wù)器還應(yīng)該節(jié)能環(huán)保，并可進行相應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)實驗室環(huán)境。