利用VMM建立基于事務(wù)的層次化驗(yàn)證平臺(tái)

摘要：VMM是一種基于 SystemVerilog語(yǔ)言的驗(yàn)證方法學(xué)，它通過(guò)引入斷言、抽象化、自動(dòng)化與重用這四種機(jī)制提高了項(xiàng)目驗(yàn)證的生產(chǎn)率。本文通過(guò)一個(gè)實(shí)例介紹怎樣利用 VMM建立基于事務(wù)的可重用的層次化驗(yàn)證平臺(tái)。

0引言：

隨著集成電路深亞微米時(shí)代的到來(lái)，集成電路的規(guī)模不斷擴(kuò)大，促進(jìn)了系統(tǒng)級(jí)芯片 SoC（Systems-on-a-Chip）的發(fā)展和應(yīng)用。通常一個(gè) SoC芯片的規(guī)模在幾百萬(wàn)門至幾千萬(wàn)門左右，面對(duì)如此高的復(fù)雜度，驗(yàn)證成為 SoC設(shè)計(jì)中最困難、最具挑戰(zhàn)性的課題之一。VMM（Verification Methodology Manual）驗(yàn)證方法學(xué)采用 SystemVerilog語(yǔ)言，引入了斷言、抽象化、自動(dòng)化及重用機(jī)制，指導(dǎo)驗(yàn)證工程師搭建基于事務(wù)的可重用的層次化驗(yàn)證平臺(tái)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)定向測(cè)試、隨機(jī)測(cè)試、數(shù)據(jù)自檢查等功能，減少了測(cè)試案例的復(fù)雜度，提高了驗(yàn)證生產(chǎn)率，減少了總的驗(yàn)證代碼量，縮短了產(chǎn)品的面市時(shí)間。

1基于事務(wù)的驗(yàn)證

基于事務(wù)的驗(yàn)證是當(dāng)前采用的主要驗(yàn)證技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)事務(wù)就是在接口上的操作。事務(wù)可以是抽象的和高層次的，例如可靠地發(fā)送一個(gè)TCP包，也可以是物理層面上的，例如在APB內(nèi)連接上的寫周期?；谑聞?wù)的驗(yàn)證讓用戶不必關(guān)注底層的細(xì)節(jié)，在抽象級(jí)別更高的事務(wù)級(jí)上進(jìn)行驗(yàn)證，從而提高了驗(yàn)證效率。

驗(yàn)證環(huán)境中的組件稱為事務(wù)處理器。它是一個(gè)靜態(tài)的對(duì)象，它自主地生成、處理或者監(jiān)視事務(wù)。傳統(tǒng)的總線功能模型即是一種低層次的事務(wù)處理器，它將事務(wù)級(jí)激勵(lì)轉(zhuǎn)換成被測(cè)設(shè)計(jì)對(duì)象接口上的引腳信號(hào)躍變或者相反。而更高層次的事務(wù)處理器只有事務(wù)級(jí)接口。事務(wù)處理器根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象中所使用的協(xié)議來(lái)處理事務(wù)，被測(cè)設(shè)計(jì)對(duì)象所產(chǎn)生的響應(yīng)從引腳信號(hào)的躍變轉(zhuǎn)換回事務(wù)級(jí)的響應(yīng)形式。這樣就可以做到在事務(wù)級(jí)上核對(duì)響應(yīng)是否正確，檢查出響應(yīng)不相符的時(shí)候，就進(jìn)一步在信號(hào)/引腳級(jí)上加以查看，從而將錯(cuò)誤定位出來(lái)。

2 VMM驗(yàn)證方法學(xué)

VMM是一種基于 SystemVerilog的驗(yàn)證方法學(xué)。它最大程序地利用了 SystemVerilog的面向?qū)ο缶幊痰膬?yōu)點(diǎn)，通過(guò)一系列機(jī)制提高了驗(yàn)證的生產(chǎn)率。

2.1層次化驗(yàn)證模型

VMM采用了易于驗(yàn)證重用的分層式測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)。每一層即建立在其他層之上的又具有一定的獨(dú)立性，使得驗(yàn)證平臺(tái)在不同的項(xiàng)目之間使用時(shí)，即使改變某一層的功能也不會(huì)影響其他層的重用，這樣就大大提高了驗(yàn)證的重用性。

可以看出 VMM推薦的層次化驗(yàn)證平臺(tái)從底至上被分成信號(hào)層、命令層、功能層、場(chǎng)景層以及測(cè)試層。其中的驗(yàn)證組件包括發(fā)生器、代理、驅(qū)動(dòng)器、監(jiān)視器、檢查器、記分板以及斷言。

信號(hào)層包括待測(cè)設(shè)計(jì)DUT與接口。命令層在信號(hào)層之上，向下通過(guò)信號(hào)層接口與待測(cè)設(shè)計(jì)相連，向上通過(guò)事務(wù)級(jí)通道與功能層通信，一般包括驅(qū)動(dòng)器(Driver)、監(jiān)視器(Monitor)和斷言(Assertion)。驅(qū)動(dòng)器將來(lái)自上層的事務(wù)轉(zhuǎn)化為信號(hào)級(jí)激勵(lì)輸入給DUT，監(jiān)視器用來(lái)監(jiān)視接口信號(hào)的變化并轉(zhuǎn)化為事務(wù)傳遞給上層的檢查器。功能層位于命令層之上，是高層次操作的抽象，相互之間通過(guò)事務(wù)級(jí)通道通信。這一層主要包括代理(Agent)、檢查器(Checker)和記分板(Scoreboard)。代理的作用是接收上層傳來(lái)的高層事務(wù)，如DMA的讀寫等，并且將這些高層事務(wù)轉(zhuǎn)換成單獨(dú)的命令向驅(qū)動(dòng)器提供。驅(qū)動(dòng)器在接收到代理發(fā)出的命令后，就會(huì)生成相應(yīng)的激勵(lì)數(shù)據(jù)。記分板用來(lái)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)的響應(yīng)，施加給DUT的激勵(lì)同時(shí)施加給記分板，記分板中的轉(zhuǎn)換函數(shù)把輸入的激勵(lì)全部轉(zhuǎn)換成最后響應(yīng)的形式，并保存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，以傳遞給檢查器，記分板還對(duì)所有的事務(wù)進(jìn)行紀(jì)錄與統(tǒng)計(jì)，記錄執(zhí)行的事務(wù)個(gè)數(shù)，成功失敗的事務(wù)個(gè)數(shù)，是否某一事務(wù)被遺漏等。檢查器通過(guò)將監(jiān)視器傳來(lái)的數(shù)據(jù)與記分板中存儲(chǔ)的預(yù)測(cè)響應(yīng)進(jìn)行比較來(lái)判斷待測(cè)功能是否正確。場(chǎng)景(Scenario)層在功能層之上，主要是用來(lái)生成具有一定關(guān)系的隨機(jī)事務(wù)的序列。最上層是測(cè)試層，他被用來(lái)配置不同的測(cè)試案例，定義不同的約束條件。在整個(gè)驗(yàn)證工程中，功能覆蓋率由仿真工具自動(dòng)生成，測(cè)試者根據(jù)功能覆蓋率來(lái)調(diào)整測(cè)試平臺(tái)，修改測(cè)試案例直到覆蓋率達(dá)到1O0% ，便可以認(rèn)為驗(yàn)證過(guò)程結(jié)束。

為了充分利用SystemVerilog語(yǔ)言面向?qū)ο缶幊痰膬?yōu)點(diǎn)，上述驗(yàn)證組件都用類(class)來(lái)實(shí)現(xiàn)，以提高可重用性，整個(gè)驗(yàn)證平臺(tái)具有統(tǒng)一的框架，結(jié)構(gòu)也變得清晰,更容易維護(hù)。

2.2 提高驗(yàn)證生產(chǎn)率的機(jī)制 VMM方法學(xué)通過(guò) 4個(gè)不同的機(jī)制提高了項(xiàng)目驗(yàn)證的生產(chǎn)率。這四個(gè)機(jī)制為別為 :斷言、抽象化、自動(dòng)化和重用。

斷言是檢查待測(cè)設(shè)計(jì)中信號(hào)行為是否正確的觀察器，它是用描述性語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在設(shè)計(jì)模塊內(nèi)部與其對(duì)外接口的關(guān)鍵位置上設(shè)置功能檢查，不需要編寫?yīng)毩⒌臏y(cè)試代碼，便能從測(cè)試平臺(tái)的外觀察到這些關(guān)鍵監(jiān)視點(diǎn)所發(fā)生的情況，可以有效地提高觀察和定位設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的能力。

傳統(tǒng)的總線功能模型使的我們很難添加或結(jié)合新的協(xié)議層，而事務(wù)處理器的層次化形成了遞歸層次的抽象化，通過(guò)事務(wù)處理器的層次化來(lái)突破總線功能模型的限制。

在驗(yàn)證中, 需要產(chǎn)生激勵(lì)來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。在時(shí)間有限的仿真過(guò)程中, 定向測(cè)試只能驗(yàn)證芯片的典型行為 , 而不能驗(yàn)證所有可能的行為, 這是定向測(cè)試的主要缺陷。而隨機(jī)化激勵(lì)可以僅用幾行代碼就能產(chǎn)生大量的激勵(lì)數(shù)據(jù) , 通過(guò)為設(shè)計(jì)提供隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)來(lái)擴(kuò)大驗(yàn)證的測(cè)試空間。當(dāng)隨機(jī)激勵(lì)源不能生成所需的激勵(lì)信號(hào)時(shí)，或者所需的激勵(lì)不能用無(wú)側(cè)重的隨機(jī)信號(hào)源來(lái)產(chǎn)生時(shí)，驗(yàn)證者可以對(duì)隨機(jī)化過(guò)程施加約束，讓它生成的隨機(jī)化的激勵(lì)更多地落在我們感興趣的區(qū)域或者邊界內(nèi), 可更快地達(dá)到功能覆蓋率的要求。

VMM對(duì)驗(yàn)證環(huán)境的層次進(jìn)行了明確的定義，反映了設(shè)計(jì)所處理數(shù)據(jù)不同的抽象層次，每一層建立在其他層之上又具有一定的獨(dú)立性，即使改變某一層的功能也不會(huì)影響其他層的重用，這樣就大大提高了驗(yàn)證的重用性，可有效減少要編寫的測(cè)試案例的復(fù)雜度，驗(yàn)證環(huán)境無(wú)須修改即可被盡可能多的測(cè)試案例重用，避免了重復(fù)編寫功能相同的模塊。

3 應(yīng)用實(shí)例

下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)介紹如何用 VMM建立基于事務(wù)的層次化驗(yàn)證平臺(tái)，待測(cè)模塊 DUT為一個(gè) FIFO。驗(yàn)證平臺(tái)的頂層結(jié)構(gòu)如圖 2所示：

由于設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，因此這里未實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景層的功能模塊。上圖中各個(gè)驗(yàn)證組件都是用類實(shí)現(xiàn)的。下面自上而下介紹各個(gè)驗(yàn)證組件的功能與實(shí)現(xiàn)。

(1) 事務(wù)定義 fifo_tr

事務(wù) fifo_tr繼承自 VMM的基類 vmm_data，因此也繼承了 vmm_data定義的一些方法，如 copy(), compare()等。fifo_tr包括兩個(gè)成員變量 kind和 data，前者定義事務(wù)的類型是讀還是寫，后者定義讀寫的數(shù)據(jù)。

(2) 事務(wù)通道 fifo_chan

fifo_chan由 VMM定義的宏 `vmm_channel()產(chǎn)生，用來(lái)在事務(wù)級(jí)驗(yàn)證組件之間傳輸特定的事務(wù)。與 SystemVerilog定義的 mailbox結(jié)構(gòu)相比，通道是強(qiáng)類型的，即每種通道只能傳輸特定的事務(wù)，避免了錯(cuò)誤情況的發(fā)生。

(3) 接口 fifo_if

fifo_if是驅(qū)動(dòng)器與 FIFO之間的通信接口，它封裝了 FIFO的 Pin，屬于信號(hào)層，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)接口來(lái)將激勵(lì)輸入給 DUT。

(4) 發(fā)生器 fifo_gen

fifo_gen繼承自 VMM的基類 vmm_xactor，它的核心是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，用來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)的事務(wù)，如讀事務(wù)或?qū)懯聞?wù)，并將該事務(wù)通過(guò)通道傳輸給驅(qū)動(dòng)器 fifo_drv.

(5) 驅(qū)動(dòng)器 fifo_drv

fifo_drv繼承自 VMM的基類 vmm_xactor，它的功能是接收來(lái)自上層發(fā)生器 fifo_gen的事務(wù) fifo_xactn，通過(guò)分析將其轉(zhuǎn)化為信號(hào)級(jí)的信號(hào)，作為激勵(lì)輸入給待測(cè)設(shè)計(jì) FIFO，它的構(gòu)造器包含兩個(gè)重要的參數(shù)，一個(gè)是輸入通道，用來(lái)與發(fā)生器通信，另一個(gè)是輸出接口，用來(lái)與 FIFO通信。

(6) 監(jiān)視器 fifo_mon

fifo_mon繼承自 VMM的基類 vmm_xactor，它的功能是監(jiān)視 FIFO的信號(hào)變化，將設(shè)計(jì)的實(shí)際響應(yīng)傳遞給檢查器 fifo_chk.與驅(qū)動(dòng)器類似，它的構(gòu)造器也包含兩個(gè)重要的參數(shù)，一個(gè)是輸入接口，用來(lái)與 FIFO相連，監(jiān)視接口信號(hào)的變化，另一個(gè)是事務(wù)級(jí)通道，用來(lái)與檢查器通信。

(7) 檢查器 fifo_chk

fifo_chk繼承自 VMM的基類 vmm_xactor，用來(lái)檢查事務(wù)是否正確得到執(zhí)行。具體是將監(jiān)視器傳來(lái)的信息與記分板傳來(lái)的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較以判斷待測(cè)功能的正確性。

(8) 計(jì)分板 fifo_scb

計(jì)分板繼承自 VMM的基類 vmm_xactor，用來(lái)對(duì)輸入激勵(lì)產(chǎn)生預(yù)測(cè)響應(yīng)，并對(duì)已發(fā)生的事務(wù)進(jìn)行紀(jì)錄與統(tǒng)計(jì)，比如總共進(jìn)行了多少個(gè)讀事務(wù)或?qū)懯聞?wù)，哪些已經(jīng)完成，哪些被掛起，哪條事務(wù)正確的得到執(zhí)行，哪條事務(wù)執(zhí)行過(guò)程中出錯(cuò)了等等。

(9) 斷言 assertions 斷言用來(lái)檢驗(yàn) FIFO的違例情況，如在滿的情況下寫 FIFO，空的情況下讀 FIFO等，這些可以通過(guò)斷言檢查出來(lái)。以上介紹的驗(yàn)證組件組成的驗(yàn)證平臺(tái)的框架可用圖 3表示如下 :

頂層模塊 tb_top由 DUT、測(cè)試程序 (program)、接口與時(shí)鐘發(fā)生器組成。測(cè)試程序中例化了驗(yàn)證環(huán)境 fifo_env，驗(yàn)證環(huán)境將所有必需的事務(wù)處理器進(jìn)行例化，測(cè)試案例只用程序(program)塊中的一個(gè) initial塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣做可以避免設(shè)計(jì)、斷言和驗(yàn)證環(huán)境出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)，并且只使用一個(gè) initial塊使得測(cè)試案例的執(zhí)行是單線程的，這樣可以更容易的理解所要完成的測(cè)試案例的每個(gè)步驟。

4 總結(jié)

在越來(lái)越高的抽象層次上進(jìn)行驗(yàn)證是歷史不斷發(fā)展的趨勢(shì)。本文以 FIFO驗(yàn)證平臺(tái)為例運(yùn)用面向?qū)ο蟮乃枷虢榻B了怎樣利用VMM驗(yàn)證方法學(xué)建立基于事務(wù)的層次化驗(yàn)證平臺(tái)，簡(jiǎn)單介紹了每個(gè)層次驗(yàn)證組件的功能與實(shí)現(xiàn)，給出了總的驗(yàn)證平臺(tái)的框架。該驗(yàn)證平臺(tái)具有很高的重用性，增強(qiáng)了程序可讀性，降低了驗(yàn)證平臺(tái)的維護(hù)成本、體現(xiàn)了VMM驗(yàn)證方法學(xué)的優(yōu)越性。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 提出利用 VMM建立基于事務(wù)的分層式驗(yàn)證平臺(tái)的思想。