基于VMM驗(yàn)證方法學(xué)的MCU驗(yàn)證環(huán)境

1 簡介

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檢查DUT對應(yīng)異常的處理狀態(tài)，這在傳統(tǒng)測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MCU驗(yàn)證環(huán)境。

2 DUT

在這個環(huán)境中驗(yàn)證了一個8位MCU，該CPU時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位有符號相對地址跳轉(zhuǎn)或者11位，16位無符號絕對地址跳轉(zhuǎn)。

4個優(yōu)先級12個中斷，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)了行為級的 memory model，來保存程序代碼和數(shù)據(jù)。以下是MCU的簡要模塊框圖。

圖1 MCU內(nèi)部結(jié)構(gòu)

這個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)注是否因此對下一條指令產(chǎn)生影響，特別是中斷和部分指令同時發(fā)生時的一些特殊情況。

MCU的指令執(zhí)行都會通過讀寫RAM memory來實(shí)現(xiàn)，另外所有的外設(shè)都會通過配置SFR memory來啟動相應(yīng)功能，并會對相應(yīng)的SFR置位來顯示外設(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、自動數(shù)據(jù)對比檢查，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)編寫對應(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)了一個匯編器，這個匯編器是由C代碼實(shí)現(xiàn)的，通過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，此外還可以對易錯的情況添加額外的約束，讓邊緣情況測試幾率更大，從而做到更多的驗(yàn)證。

3.2 自動數(shù)據(jù)對比檢查

寫匯編代碼，讀入程序ROM，通過仿真來觀測結(jié)果，結(jié)果的正確性通過波形觀察，這種驗(yàn)證方法測試數(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)生功能錯誤，真正的錯誤點(diǎn)有可能是多個指令之前，需要往前查找波形，往往 debug時候查找問題源會耗費(fèi)大量時間，甚至有些深層次的問題因?yàn)椴粚儆隍?yàn)證目標(biāo)，或者不在觀測點(diǎn)內(nèi)，往往會被忽略。在環(huán)境里，已經(jīng)引入的隨機(jī)的指令生成，這就需要一個參照模型能夠生成對應(yīng)的參照結(jié)果。這里實(shí)現(xiàn)一個用C語言描述的MCU參照模型，同樣通過DPI將MCU的C模型接入驗(yàn)證環(huán)境中，這個模型以16進(jìn)制代碼作為輸入，可以在每一條指令執(zhí)行寫出一個參照結(jié)果。MCU的都是通過RAM保存數(shù)據(jù)，SFR寄存器來保存狀態(tài)，可以通過對比memory中的數(shù)據(jù)，來保證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)境中加以測試。在環(huán)境里通過C參考模型寫出的每一條指令后的狀態(tài)會保存下來，由ScoreBoard來讀入，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來進(jìn)行自檢，并且在log中寫出自檢結(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，可以通過模型的執(zhí)行結(jié)果來統(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)每條指令之后都會對比自檢，可以將模型運(yùn)行的結(jié)果和模型內(nèi)部對應(yīng)的SFR狀態(tài)位作為功能覆蓋率收集點(diǎn)，將關(guān)注的功能寫為覆蓋率模型，在仿真中自動收集，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 簡介

以VMM為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了一個驗(yàn)證8位MCU的平臺，這個平臺可以隨機(jī)生成一系列的指令，并且在每個指令后進(jìn)行自檢。下面就這個平臺的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)加以介紹，4.2小節(jié)將會介紹隨機(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對比。 4.4小節(jié)將會介紹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)介紹過于ScoreBoard的自檢機(jī)制，以及自動終止仿真的方法。4.7小節(jié)將會介紹關(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，這樣可以通過約束一個種類來隨機(jī)化指令格式，生成指令格式以后可以根據(jù)指令格式來填入相應(yīng)的隨機(jī)值。首先就是約束指令格式對應(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};

…………}

然后約束對應(yīng)的寄存器地址，立即數(shù)，相對地址等，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法的指令。通過在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channel傳遞給Driver。可以將一系列約束做為一個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)地測試某些指令的集合，以便將一些邊緣情況測到，例如實(shí)際應(yīng)用上會反復(fù)使用累加器或是反復(fù)調(diào)用R0-R7，都可以通過約束來實(shí)現(xiàn)。大量隨機(jī)的代碼測試下，可以給出更邊緣的TestCase，盡可能地測試到一些邊緣情況。

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中會被寫入asm文件，通過DPI調(diào)用一個匯編的 C function來處理這個asm文件，生成一個HEX 代碼文件，Driver可以讀入這個HEX 代碼，并且寫入一個用SystemVerilog實(shí)現(xiàn)的ROM模型中，另外通過DPI調(diào)用一個C的MCU仿真器，可以實(shí)時寫出每一條指令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的指令組合可以說是無法測全的，真正的測試往往要發(fā)生在應(yīng)用代碼測試上，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1