基于VMM驗(yàn)證方法學(xué)的MCU驗(yàn)證環(huán)境
1 簡(jiǎn)介
隨著設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度不斷增加,要求把更多的資源放到驗(yàn)證上,不但要求驗(yàn)證能夠覆蓋所有的功能,還希望能夠給出大量的異常情況來(lái)檢查DUT對(duì)應(yīng)異常的處理狀態(tài),這在傳統(tǒng)測(cè)試方法下往往是難以實(shí)現(xiàn)的。此外,設(shè)計(jì)不斷地重用,而驗(yàn)證也希望能夠重用一樣的驗(yàn)證模塊,這就催生了層次化的驗(yàn)證方法。Synopsys的 VMM驗(yàn)證方法學(xué)提供了基于SystemVerilog的驗(yàn)證方法,包括了有約束的隨機(jī)數(shù)生成,層次化的驗(yàn)證結(jié)構(gòu),以及以功能覆蓋率為指標(biāo)的驗(yàn)證流程。在本文中,圍繞Synopsys的VMM(Verification Methodology Manual)構(gòu)建了一個(gè)MCU驗(yàn)證環(huán)境。
2 DUT
在這個(gè)環(huán)境中驗(yàn)證了一個(gè)8位MCU,該CPU時(shí)鐘周期即為指令周期,兼容MCU指令集,包含8位的運(yùn)算邏輯單元,包含了ACC、B、PSW等常用的寄存器,4組R0-R7的R寄存器,支持直接,間接尋址,支持位操作,跳轉(zhuǎn)指令可以為8位有符號(hào)相對(duì)地址跳轉(zhuǎn)或者11位,16位無(wú)符號(hào)絕對(duì)地址跳轉(zhuǎn)。
4個(gè)優(yōu)先級(jí)12個(gè)中斷,中斷包括外部輸入中斷,以及串口和計(jì)數(shù)器等的內(nèi)部中斷,15位可編程Watchdog,另外包含程序ROM接口,外部RAM接口,內(nèi)部RAM以及SFR接口。MCU本身并不包含memory,所有的ROM以及RAM都是通過(guò)外部接口進(jìn)行通信,這里在VMM環(huán)境里實(shí)現(xiàn)了行為級(jí)的 memory model,來(lái)保存程序代碼和數(shù)據(jù)。以下是MCU的簡(jiǎn)要模塊框圖。
圖1 MCU內(nèi)部結(jié)構(gòu)
這個(gè)MCU也是在原有基礎(chǔ)上改進(jìn)了指令周期,減少了大部分指令執(zhí)行所需的指令周期。因?yàn)椴糠种噶钏枰闹噶钪芷诘目s短,很多原有采樣和賦值時(shí)間相應(yīng)發(fā)生較大變化,在功能驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,需要關(guān)注是否因此對(duì)下一條指令產(chǎn)生影響,特別是中斷和部分指令同時(shí)發(fā)生時(shí)的一些特殊情況。
MCU的指令執(zhí)行都會(huì)通過(guò)讀寫(xiě)RAM memory來(lái)實(shí)現(xiàn),另外所有的外設(shè)都會(huì)通過(guò)配置SFR memory來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)功能,并會(huì)對(duì)相應(yīng)的SFR置位來(lái)顯示外設(shè)的工作結(jié)果或是狀態(tài),這里RAM memory和SFR memory內(nèi)容就是需要關(guān)注的檢測(cè)點(diǎn),只要保證RAM memory以及SFR memory內(nèi)容的正確,就可以驗(yàn)證MCU的所有功能正確。
3 基于VMM的MCU驗(yàn)證結(jié)構(gòu)
基于VMM的MCU驗(yàn)證就需要充分利用VMM的特點(diǎn),即為有約束的隨機(jī)數(shù)生成、自動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比檢查,和功能覆蓋率收集。
3.1 有約束的隨機(jī)指令生成
傳統(tǒng)的MCU驗(yàn)證,需要寫(xiě)匯編代碼,注入MCU程序ROM進(jìn)行仿真,匯編代碼的質(zhì)量和覆蓋率是影響驗(yàn)證的主要因素。除了可以將應(yīng)用程序作為 TestCase,只能根據(jù)驗(yàn)證目標(biāo)編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的TestCase。這樣的TestCase屬于Direct TestCase,只能覆蓋一部分功能,尤其是MCU有指令組合的情況,以及除了ALU單元的外設(shè)單元,當(dāng)外設(shè)單元與內(nèi)部指令并行工作,Direct TestCase往往是不能滿足要求的。這里,VMM提供了有約束的隨機(jī)數(shù)生成,可以將MCU指令集進(jìn)行分類,將同一格式的指令歸為一類,這樣可以通過(guò)一定的約束隨機(jī)的生成指令以及指令所需的參數(shù),在下一節(jié)的指令類中會(huì)詳細(xì)講解關(guān)于指令的分類與生成。指令生成后,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)匯編器,這個(gè)匯編器是由C代碼實(shí)現(xiàn)的,通過(guò)DPI將MCU的C模型接入驗(yàn)證環(huán)境中,這樣生成的匯編指令可以實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制代碼,并且直接讀入MCU的ROM進(jìn)行仿真。隨機(jī)指令生成,可以添加節(jié)省人力,并且給出更加特殊的TestCase,此外還可以對(duì)易錯(cuò)的情況添加額外的約束,讓邊緣情況測(cè)試幾率更大,從而做到更多的驗(yàn)證。
3.2 自動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比檢查
寫(xiě)匯編代碼,讀入程序ROM,通過(guò)仿真來(lái)觀測(cè)結(jié)果,結(jié)果的正確性通過(guò)波形觀察,這種驗(yàn)證方法測(cè)試數(shù)量比較有限,只能在人力控制范圍內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證,不適合于遞歸以及大量TestCase的驗(yàn)證。此外,在以往的MCU驗(yàn)證中,一旦發(fā)生功能錯(cuò)誤,真正的錯(cuò)誤點(diǎn)有可能是多個(gè)指令之前,需要往前查找波形,往往 debug時(shí)候查找問(wèn)題源會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間,甚至有些深層次的問(wèn)題因?yàn)椴粚儆隍?yàn)證目標(biāo),或者不在觀測(cè)點(diǎn)內(nèi),往往會(huì)被忽略。在環(huán)境里,已經(jīng)引入的隨機(jī)的指令生成,這就需要一個(gè)參照模型能夠生成對(duì)應(yīng)的參照結(jié)果。這里實(shí)現(xiàn)一個(gè)用C語(yǔ)言描述的MCU參照模型,同樣通過(guò)DPI將MCU的C模型接入驗(yàn)證環(huán)境中,這個(gè)模型以16進(jìn)制代碼作為輸入,可以在每一條指令執(zhí)行寫(xiě)出一個(gè)參照結(jié)果。MCU的都是通過(guò)RAM保存數(shù)據(jù),SFR寄存器來(lái)保存狀態(tài),可以通過(guò)對(duì)比memory中的數(shù)據(jù),來(lái)保證MCU的每一條指令的工作狀態(tài)都是和參考模型是一致的。而且每次添加TestCase后都不需要觀測(cè)波形或是生成參照結(jié)果,甚至可以直接將應(yīng)用程序放入環(huán)境中加以測(cè)試。在環(huán)境里通過(guò)C參考模型寫(xiě)出的每一條指令后的狀態(tài)會(huì)保存下來(lái),由ScoreBoard來(lái)讀入,環(huán)境可以讀出MCU執(zhí)行程序 ROM后RAM和SFR的值并傳遞給ScoreBoard,由ScoreBoard來(lái)進(jìn)行自檢,并且在log中寫(xiě)出自檢結(jié)果。
3.3 功能覆蓋率收集
在Direct TestCase下,匯編代碼都是特定目的的測(cè)試代碼,所關(guān)注的寄存器狀態(tài),或是真實(shí)指令執(zhí)行情況往往很難統(tǒng)計(jì),代碼覆蓋率能提供的信息相當(dāng)有限。在 VMM環(huán)境中,可以通過(guò)模型的執(zhí)行結(jié)果來(lái)統(tǒng)計(jì)指令的執(zhí)行情況,因?yàn)槟P秃蚏TL是功能一致的,內(nèi)部數(shù)據(jù)每條指令之后都會(huì)對(duì)比自檢,可以將模型運(yùn)行的結(jié)果和模型內(nèi)部對(duì)應(yīng)的SFR狀態(tài)位作為功能覆蓋率收集點(diǎn),將關(guān)注的功能寫(xiě)為覆蓋率模型,在仿真中自動(dòng)收集,并在仿真所有TestCase后將覆蓋率結(jié)果合并在一起,給出一個(gè)最終的功能覆蓋率,這里要求功能覆蓋率和代碼覆蓋率都為100%。
4 驗(yàn)證功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)
4.1 簡(jiǎn)介
以VMM為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了一個(gè)驗(yàn)證8位MCU的平臺(tái),這個(gè)平臺(tái)可以隨機(jī)生成一系列的指令,并且在每個(gè)指令后進(jìn)行自檢。下面就這個(gè)平臺(tái)的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)加以介紹,4.2小節(jié)將會(huì)介紹隨機(jī)指令生成,以及Scenario約束的實(shí)現(xiàn),4.3小節(jié)將會(huì)介紹Driver部分,這里Driver實(shí)現(xiàn)了Transactor的任務(wù),除了實(shí)現(xiàn)匯編,將16進(jìn)制代碼讀入ROM模型中,還要調(diào)用MCU的C模型并產(chǎn)生結(jié)果供后續(xù)ScoreBoard對(duì)比。 4.4小節(jié)將會(huì)介紹MCU的C模型,C模型行為是直接影響MCU是否正確的保證。4.5小節(jié)將會(huì)介紹memory模型的實(shí)現(xiàn),包括Internal SFR、Internal RAM、External SFR以及External RAM。4.6小節(jié)介紹過(guò)于ScoreBoard的自檢機(jī)制,以及自動(dòng)終止仿真的方法。4.7小節(jié)將會(huì)介紹關(guān)于功能覆蓋率模型的建立。
4.2 指令數(shù)據(jù)包以及Scenario Generator
在VMM環(huán)境中,所有的數(shù)據(jù)都是擴(kuò)展vmm_data得到,在這里首先對(duì)指令分類,相同格式的指令皆為同一類型,具體部分分類表格如表1中所示。
分類的依據(jù)在于指令格式,例如對(duì)從工作寄存器Rn到A的操作,或是從直接地址Rx到A的操作,這樣可以通過(guò)約束一個(gè)種類來(lái)隨機(jī)化指令格式,生成指令格式以后可以根據(jù)指令格式來(lái)填入相應(yīng)的隨機(jī)值。首先就是約束指令格式對(duì)應(yīng)的指令,代碼如:
constraint add_mode_decide_kind{
(addr_mode==RN_A) -> kind inside {MOV, ADD, ADDC, SUBB, XCH, ANL, ORL, XRL};
(addr_mode==RX_A) -> kind inside {MOV, ADD, ADDC, SUBB, XCH, ANL, ORL, XRL};
…………}
然后約束對(duì)應(yīng)的寄存器地址,立即數(shù),相對(duì)地址等,代碼如:
constraint inst_valid{
di_x inside {[0:255]};
reg_y inside {[0:255]};
reg_i inside {0, 1};
reg_n inside {[0: 7]};
…。}
得到了指令的格式,隨機(jī)得到指令,指令參數(shù),在以上約束下就可以生成一條符合語(yǔ)法的指令。通過(guò)在TestCase中約束指令格式,或是地址數(shù)據(jù)就可以在TestCase中控制Generator生成的指令,通過(guò)變換隨機(jī)種子就可以生成不同類型的指令集合。
使用宏定義對(duì)數(shù)據(jù)類擴(kuò)展就可以得到數(shù)據(jù)類的Generator和Channel:
`vmm_channel(inst)
`vmm_scenario_gen(inst, “inst”)
每次scenario Generator生成一條指令,并且通過(guò)channel傳遞給Driver??梢詫⒁幌盗屑s束做為一個(gè)scenario,這樣可以控制指令與指令之間的關(guān)系,將一系列scenario合并可以生成更多的隨機(jī)組合,例如:
$void(scenario_kind) == R0_OP -> {
foreach(items[i]){
items[i].addr_mode inside {0,1,2,4,5,6,7,8,10,11,12,13,14,21,22,23,24,26,27,28=};
items[i].reg_x inside {0};
items[i].reg_n inside {0};
items[i].reg_i inside {0};
}
}
驗(yàn)證這里能夠做到盡可能大量重復(fù)地測(cè)試某些指令的集合,以便將一些邊緣情況測(cè)到,例如實(shí)際應(yīng)用上會(huì)反復(fù)使用累加器或是反復(fù)調(diào)用R0-R7,都可以通過(guò)約束來(lái)實(shí)現(xiàn)。大量隨機(jī)的代碼測(cè)試下,可以給出更邊緣的TestCase,盡可能地測(cè)試到一些邊緣情況。
4.3 Driver
這里Driver實(shí)現(xiàn)了Transactor的功能,除了實(shí)現(xiàn)將asm代碼匯編,將16進(jìn)制代碼讀入ROM模型中,還要調(diào)用MCU的C模型并產(chǎn)生結(jié)果,供后續(xù)ScoreBoard對(duì)比。
由于匯編器需要將所有指令代碼讀入進(jìn)行統(tǒng)一匯編,由Generator生成的所有指令代碼在Driver中會(huì)被寫(xiě)入asm文件,通過(guò)DPI調(diào)用一個(gè)匯編的 C function來(lái)處理這個(gè)asm文件,生成一個(gè)HEX 代碼文件,Driver可以讀入這個(gè)HEX 代碼,并且寫(xiě)入一個(gè)用SystemVerilog實(shí)現(xiàn)的ROM模型中,另外通過(guò)DPI調(diào)用一個(gè)C的MCU仿真器,可以實(shí)時(shí)寫(xiě)出每一條指令MCU的SFR、 RAM狀態(tài),同樣這些狀態(tài)都保留在單獨(dú)的文件中,以作為ScoreBoard的輸入。
因?yàn)镸CU的指令組合可以說(shuō)是無(wú)法測(cè)全的,真正的測(cè)試往往要發(fā)生在應(yīng)用代碼測(cè)試上,Driver除了可以接受從channel中得到的指令,也可以直接從外部文件得到asm代碼或是16進(jìn)制代碼,這樣已有的MCU測(cè)試代碼或是應(yīng)用程序都可以在這個(gè)環(huán)境中直接調(diào)用。此外,中斷的外部輸入也有隨機(jī)的數(shù)據(jù)灌入,外部端口的輸入數(shù)據(jù)也是在指令數(shù)據(jù)包中產(chǎn)生,并且由TestCase控制的。MCU工作方式的特殊性,導(dǎo)致Driver相對(duì)于驗(yàn)證環(huán)境較為獨(dú)立,與驗(yàn)證環(huán)境的接口都是磁盤(pán)文件。
4.4 C模型
環(huán)境中使用兩個(gè)C模型:匯編器和仿真器,將asm代碼匯編成為16進(jìn)制代碼,并仿真16進(jìn)制代碼。通過(guò)DPI調(diào)用C函數(shù)如下:
import “DPI” function void asmb_r(string in_file, string out_file);
import “DPI” function void siml(int run_for_n_ins, string in_file2, string in_file1, string in_file, string out_file, string out_file2, string out_file3, string out_file4);
如Driver所示,輸入輸出都是磁盤(pán)文件。匯編器通過(guò)查表將指令翻譯成16進(jìn)制代碼,對(duì)于變量將用哈希表實(shí)現(xiàn),通過(guò)查表替換,插入校驗(yàn)碼,最后得出的16進(jìn)制代碼,作為MCU的C模型仿真輸入,并且由Driver的ROM模型讀入。
仿真器輸入16進(jìn)制代碼,通過(guò)先解碼16進(jìn)制代碼,然后逐條執(zhí)行代碼,所有memory都是在C中實(shí)現(xiàn),每個(gè)指令分別調(diào)用相應(yīng)的函數(shù),此外還有相應(yīng)的中斷函數(shù)處理中斷,在每一條指令后寫(xiě)出SFR,Internal RAM以及External RAM中的值到磁盤(pán)文件中,以作為RTL仿真的參照,C模型的結(jié)果直接影響整個(gè)驗(yàn)證的準(zhǔn)確性,因?yàn)镽TL是由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng),而C模型是不帶時(shí)序關(guān)系,有些指令的執(zhí)行結(jié)果需要根據(jù)時(shí)序做部分調(diào)整,調(diào)整模型在驗(yàn)證中占去較多資源。
4.5 memory模型
MCU外圍連接了四個(gè)外部memory,包括Internal SFR、Internal RAM、External SFR以及External RAM。在驗(yàn)證MCU時(shí),memory中的值就可以保證MCU的工作狀態(tài),因此在驗(yàn)證中,MCU的外部memory都是用SystemVerilog實(shí)現(xiàn)的行為模型,除了通過(guò)interface io來(lái)響應(yīng)MCU的讀寫(xiě)要求之外,還有數(shù)據(jù)通道通往ScoreBoard,這里每個(gè)MCU時(shí)鐘都會(huì)將memory值記錄下來(lái)送往ScoreBoard,由于Internal SFR、Internal RAM、External SFR僅有128 byte,數(shù)據(jù)量較小,可以每個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)檢查,但對(duì)于External RAM有64k byte,對(duì)比或是傳輸都比較耗費(fèi)資源。另外,對(duì)External RAM的操作并不多,這里實(shí)現(xiàn)的是在Testcases中約束對(duì)于External RAM的地址都為低256 byte,這樣可以有效地控制數(shù)據(jù)量并且在每個(gè)時(shí)鐘周期檢查memory狀態(tài),另外一種可選方式是每隔一定數(shù)量的指令來(lái)對(duì)比External RAM的值,同樣對(duì)仿真影響較小。
4.6 ScoreBoard
ScoreBoard收集到從各個(gè)memory傳遞過(guò)來(lái)的memory值,因此對(duì)應(yīng)一塊memory就會(huì)有一塊ScoreBoard,對(duì)比通過(guò)讀取MCU 的C模型寫(xiě)出的memory狀態(tài)值,由于MCU模型寫(xiě)出的值是每條指令執(zhí)行之后的值而memory傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)為每個(gè)時(shí)鐘周期,這里 ScoreBoard不但要負(fù)責(zé)解讀C模型寫(xiě)出的參照memory結(jié)果文件,通過(guò)參照將確認(rèn)每個(gè)指令執(zhí)行時(shí)鐘周期長(zhǎng)度,然后從memory模型傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)中選取該指令執(zhí)行之后一個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)與參照數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,考慮到部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)有延遲,ScoreBoard在對(duì)比時(shí),不僅僅考慮當(dāng)前比較時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)據(jù),如果對(duì)比失敗,ScoreBoard的自檢會(huì)進(jìn)入子線程,繼續(xù)讀取memory傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),考慮到MCU支持指令延遲操作最多8個(gè)時(shí)鐘周期,如果在后續(xù)16個(gè)周期內(nèi)得到正確的值,ScoreBoard會(huì)認(rèn)為結(jié)果正確,并且中止子線程返還檢查成功標(biāo)志。
MCU指令一旦開(kāi)始運(yùn)行,尤其是隨機(jī)指令,指令執(zhí)行不是順序,有時(shí)會(huì)跳入死循環(huán),很難設(shè)定仿真中止時(shí)間,這里設(shè)定了兩種機(jī)制,一種是仿真指令計(jì)數(shù),另一種就是根據(jù)覆蓋率分析,通過(guò)VMM的覆蓋率分析函數(shù),可以動(dòng)態(tài)的得到覆蓋率情況,如果隨機(jī)指令跳入死循環(huán),覆蓋率就會(huì)一直維持不變,每次覆蓋率分析不變就進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)超過(guò)限定,就會(huì)讓ScoreBoard結(jié)束,通過(guò)環(huán)境對(duì)ScoreBoard的監(jiān)測(cè),一旦ScoreBoard停止,整個(gè)仿真也會(huì)停下。
4.7 功能覆蓋率模型
對(duì)于MCU這樣的DUT,代碼覆蓋率已經(jīng)不能夠代表驗(yàn)證進(jìn)度,而功能覆蓋率也只能代表相當(dāng)一部分待驗(yàn)證的功能,這里對(duì)于基本的memory,功能覆蓋率僅要求所有位都被指令操作過(guò),對(duì)于特殊寄存器SFR,需要指定某些特定位有相應(yīng)的“0”以及“1”狀態(tài)。代碼如下:
coverpoint memory[‘h87]
{
wildcard bins b87m_0_0 = {8’bxxxxxxx0};
wildcard bins b87m_1_0 = {8‘bxxxxxxx1};
wildcard bins b87m_0_1 = {8’bxxxxxx0x};
wildcard bins b87m_1_1 = {8‘bxxxxxx1x};
}
另外可以收集指令與指令參數(shù)的交叉覆蓋率分析,例如:
covergroup gen_port_cov;
coverpoint addr_mode;
coverpoint kind;
cross addr_mode, kind;
option.weight = 0;
endgroup
可以說(shuō)對(duì)于MCU這樣的DUT,功能點(diǎn)很難被完全描述,但是功能覆蓋率還是提供了一部分量化指標(biāo),供驗(yàn)證參考。
5 小結(jié)
本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)驗(yàn)證MCU指令的基于VMM的驗(yàn)證環(huán)境,在這個(gè)環(huán)境里不但可以使用隨機(jī)的指令生成來(lái)輸入指令,也可以使用已有的應(yīng)用程序代碼,另外提供了 memory自檢環(huán)境,可以在每一條指令執(zhí)行后檢查memory值,從最全面角度保證每條指令執(zhí)行結(jié)果是正確的。此外還提供了功能覆蓋率模型,收集覆蓋率結(jié)果。這個(gè)環(huán)境可以被復(fù)用擴(kuò)展,基于這個(gè)MCU開(kāi)發(fā)的軟件都可以在這個(gè)驗(yàn)證環(huán)境中先運(yùn)行以保證軟件的正確性。