導(dǎo)入靈活的FPGA驗(yàn)證方法

隨著系統(tǒng)芯片 (SoC) 設(shè)計(jì)的體積與復(fù)雜度持續(xù)升高，驗(yàn)證作業(yè)變成了瓶頸：占了整個(gè) SoC 研發(fā)過程中 70% 的時(shí)間。因此，任何能夠降低驗(yàn)證成本并能更早實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證 sign-off 的方法都是眾人的注目焦點(diǎn)。

臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院 (工研院, ITRI) 在今年的設(shè)計(jì)自動(dòng)化大會(huì)(2011 DAC)提出的案例研究，提出一種能夠顯著提升客制化FPGA 原型板驗(yàn)證效率的創(chuàng)新方法，自動(dòng)化現(xiàn)有的電路仿真(in-circuit emulation)偵錯(cuò)功能，并提供更高的 FPGA 能見度。這個(gè)以 FPGA 為基礎(chǔ)的 SoC 驗(yàn)證平臺(tái)對(duì)工研院而言是前景看好的嶄新領(lǐng)域，對(duì)其支持臺(tái)灣IC設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)新技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)工作助益良多。

案例研究：高效能的多媒體SoC平臺(tái)

這款 SoC 設(shè)計(jì)是高效能的 Android 兼容多媒體 SoC 平臺(tái)。配置了 AXI、AHB 與 APB 總線，供通訊使用；由工研院(PACDSPs、EMDMA 與 DDR2 控制器) 設(shè)計(jì)的高效能客制化 IP 組件連結(jié)至 AXI 總線，加速 H.264 視訊編譯碼器 (video codec) 等多媒體應(yīng)用軟件的執(zhí)行。包括 ARM、SDRAM、DMA、SRAM、Ethernet 與 LCD 在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn) IP 組件連結(jié)至 AHB 總線，適合于一般應(yīng)用。最后，UART、Timer、I2S、I2C 與 Watchdog 等低頻率的 IP 區(qū)塊 (block) 則連結(jié)至 APB 總線。

下列案例研究說明了工研院與思源科技工程師如何合作，使用思源科技ProtoLink Probe Visualizer，克服工研院SoC 設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的驗(yàn)證挑戰(zhàn)。這個(gè)與音效功能相關(guān)的問題是：在 FPGA 原型板未激活 OS 的狀況下，功能正常運(yùn)作 (可錄音與播放)；但如果在原型板上啟用 Linux，功能就無法正常運(yùn)作。在 FPGA 原型環(huán)境中，要使用傳統(tǒng)的偵錯(cuò)方法排除這類問題是相當(dāng)困難的。FPGA 的能見度僅局限在少數(shù)的訊號(hào)與時(shí)脈周期內(nèi)，無法提供足夠的信息找出錯(cuò)誤所在。而因?yàn)榧せ?OS (例如 Linux) 耗費(fèi)的時(shí)間相當(dāng)長，想透過緩存器轉(zhuǎn)換階層 (RTL) 仿真來解決問題也行不通。由于問題的成因可能在于軟件、硬件或驅(qū)動(dòng)程序，因此要確實(shí)找出問題的根本原因是一項(xiàng)考驗(yàn)。

與眾不同的作法

要簡化偵錯(cuò)作業(yè)，就需要更高效率的驗(yàn)證方法。ProtoLink Probe Visualizer 是新的原型驗(yàn)證環(huán)境，采用以軟件為基礎(chǔ)的方法，可以從RTL 設(shè)計(jì)階段開始到最終的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)階段，都提供高水平的設(shè)計(jì)能見度，，可全面加速偵錯(cuò)作業(yè)的進(jìn)行。

工研院起初擔(dān)心其客制化原型板可能無法符合思源科技ProtoLink Probe Visualizer 的接口需求，而思源科技工程師在進(jìn)行幾項(xiàng)快速測試之后，證明工研院客制化原型板上的標(biāo)準(zhǔn) J 連接器可順利地與執(zhí)行 Probe Visualizer 軟件的工作站連結(jié)。只需在原型板上新增鎖相回路 (PLL)，提供所需的取樣時(shí)脈 (sampling clock)即可。FPGA 的設(shè)置流程相當(dāng)簡單，可輕松整合至現(xiàn)有的程序 (script) 中，自動(dòng)選取大約 100 個(gè)探測訊號(hào) (probed signal)，就能見度來說，已比過去的方法提升 6 倍之多。此外，所有的探測資料都可儲(chǔ)存在外接的 2GB 探測訊號(hào)內(nèi)存中而不占用 FPGA 資源，真正額外需要的探測邏輯 (probe logic) 也僅占用 FPGA 的 2%，可說相當(dāng)?shù)纳?。外接?nèi)存的資料容量可儲(chǔ)存充足長度的時(shí)脈周期，讓工程師能夠確實(shí)掌握軟件、硬件與驅(qū)動(dòng)程序間的關(guān)系。

工研院團(tuán)隊(duì)透過思源科技Verdi自動(dòng)偵錯(cuò)系統(tǒng)的進(jìn)階觀察、追蹤與分析功能，來使用儲(chǔ)存的探測資料進(jìn)行偵錯(cuò)作業(yè)。在經(jīng)過多次重復(fù)偵錯(cuò)之后，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)問題：1) USB 中斷 (USB interrupt) 長時(shí)間鎖住 ARM，因此 I2S 內(nèi)的 FIFO 是空的，因而造成問題； 2) 定時(shí)中斷 (Timer interrupt) 的優(yōu)先級(jí)高于 DMA 中斷，因此再一次造成 I2S 內(nèi)的 FIFO 是空的。工研院工程師使用思源科技軟件的偵錯(cuò)功能，進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)行為，僅管表現(xiàn)出來是共通的錯(cuò)誤征兆，工程師還是能夠迅速發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤的根本成因是源于兩種不同的情況。

此外，觀察額外的關(guān)鍵訊號(hào)是偵錯(cuò)時(shí)必需的，但這些訊號(hào)多半不在原始探測清單中。工研院工程師透過Probe Visualizer迅速的探測 ECO 流程，在 10 分鐘內(nèi)就可新增 10 個(gè)新訊號(hào)，而且不用重新編譯整個(gè)設(shè)計(jì)。相對(duì)傳統(tǒng)的偵錯(cuò)方法需要在 RTL 拖曳新訊號(hào)，并且針對(duì)這個(gè)特定的設(shè)計(jì)重新執(zhí)行合成 (synthesis ) 以及布局與繞線作業(yè)，約需花上 2 至 3 個(gè)小時(shí)，因此這方面的革新省下了大量的時(shí)間。

工程師能夠輕松地將 所需額外的RTL探測訊號(hào)由 Verdi 偵錯(cuò)環(huán)境拖曳至 Probe Visualizer。這套系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立RTL 至邏輯閘層 (RTL-to-gate level ) 的訊號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系,，所以可直接在 FPGA 布局與繞線檔案上迅速執(zhí)行部份繞線作業(yè)來看到新增的探測訊號(hào)，大幅縮短偵錯(cuò)作業(yè)時(shí)間，所以能在短時(shí)間內(nèi)處理多重偵錯(cuò)工作階段 (debug session)。而對(duì)設(shè)計(jì)中使用的「黑盒子」IP 區(qū)塊，也只需 EDIF 名稱，就可以進(jìn)行探測 ECO 流程。

評(píng)估結(jié)果

工研院工程師在修正問題并成功試產(chǎn)設(shè)計(jì)之后，檢討了項(xiàng)目實(shí)際耗費(fèi)的時(shí)間，并評(píng)估了這個(gè)新的 FPGA SoC 原型驗(yàn)證方法的成果。

進(jìn)行 RTL 設(shè)計(jì)、仿真、通訊協(xié)議驗(yàn)證與 FPGA 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的時(shí)間約為 2 個(gè)月。在驅(qū)動(dòng)程序移植 (driver porting )上所花費(fèi)的時(shí)間則短了許多，大約只有 2 個(gè)星期。工程師隨后又花了 2 個(gè)月的時(shí)間進(jìn)行驗(yàn)證作業(yè)，試圖透過硬件邏輯分析器檢查 FPGA 內(nèi)部訊號(hào)解決音效問題，同時(shí)也在音效驅(qū)動(dòng)程序中增加觀察點(diǎn)，以連結(jié)并企圖找出問題。這種傳統(tǒng)的 FPGA 偵錯(cuò)方法，需要的時(shí)間和設(shè)計(jì)研發(fā)的時(shí)間一樣長，然而對(duì)工研院團(tuán)隊(duì)而言，相當(dāng)令人沮喪的是結(jié)果仍然一無所獲。不過，在經(jīng)過思源科技提供的應(yīng)用軟件教育訓(xùn)練/支持課程及一星期的實(shí)作經(jīng)驗(yàn)后，工研院工程師使用 ProtoLink Probe Visualizer，在短短一星期的時(shí)間內(nèi)就厘清了兩大問題！

對(duì)工研院而言，ProtoLink Probe Visualizer是一種相當(dāng)有效的 FPGA 原型板偵錯(cuò)方法。工程師再也不必局限在傳統(tǒng)的偵錯(cuò)方法，而且在實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件中增加觀察點(diǎn)也可能會(huì)造成其它問題。透過維持原有軟件并監(jiān)測更多FPGA 訊號(hào)在數(shù)百萬時(shí)脈周期內(nèi)的實(shí)時(shí) RTL 行為，使用者可以獲得所需的能見度，更完美的掌握、更輕松地偵錯(cuò)設(shè)計(jì)的問題。

總合來說，思源科技Probe Visualizer 透過以軟件為基礎(chǔ)的創(chuàng)新方法，改變了原型板驗(yàn)證的方法，實(shí)現(xiàn)豐富、實(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)能見度，并且讓原型板能使用 Verdi 的偵錯(cuò)威力，使原型板偵錯(cuò)時(shí)間比傳統(tǒng)的方法大幅縮短一半。這種偵錯(cuò)作業(yè)生產(chǎn)力與整體驗(yàn)證效率的提升，不僅能協(xié)助工研院在更早期的 SoC 研發(fā)流程中配置 FPGA 原型，并且能迅速移轉(zhuǎn)至搭載最新 FPGA 技術(shù)的新一代原型板上，充分運(yùn)用最新 FPGA 技術(shù)的優(yōu)勢。