何時(shí)使用軟件仿真，何時(shí)使用硬件仿真

大約在40年前，ComprehensiveComputingSystemsandServices公司在市場(chǎng)上推出了首個(gè)名為T(mén)EGAS的商業(yè)數(shù)字器，該設(shè)備主要用于測(cè)試生成和系統(tǒng)。這一對(duì)門(mén)級(jí)電路進(jìn)行仿真的系統(tǒng)由一個(gè)小型專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，而在此之前只有針對(duì)晶體管級(jí)電路進(jìn)行仿真的模擬仿真軟件。TEGAS是其專(zhuān)用的描述語(yǔ)言。這種語(yǔ)言?xún)H用于生成數(shù)字電路測(cè)試向量。最終，仍須通過(guò)原型板進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

隨著20世紀(jì)80年代早期計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)行業(yè)的興起，數(shù)字器或邏輯軟件仿真也在電子工程界流行起來(lái)，成為設(shè)計(jì)驗(yàn)證的主要手段。到20世紀(jì)90年代末，數(shù)字軟件仿真器逐漸發(fā)展演變?yōu)榧拇嫫鱾鬏敿?jí)(RTL)軟件仿真器，這種軟件仿真器支持兩種流行的硬件描述語(yǔ)言(HDLs)——Verilog和VHDL?，F(xiàn)有的EDA(電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，CAE和CAD的產(chǎn)物)供應(yīng)商用了十多年的時(shí)間在同一個(gè)工具中支持這兩種語(yǔ)言。如今，Synopsys、Cadence和MentorGraphics這三家大型EDA供應(yīng)商，都提供各自的HDL軟件仿真器，在市場(chǎng)上呈現(xiàn)三足鼎立的狀態(tài)。

多年來(lái)一系列的改進(jìn)使得HDL軟件仿真器變得愈加完美?，F(xiàn)在，它是一款不可限量的工具，是設(shè)計(jì)驗(yàn)證和假設(shè)分析中必不可少的工具，但其還是有自身的局限性，即設(shè)計(jì)規(guī)模不能超過(guò)1億個(gè)ASIC等效門(mén)。這種限制較為隨意，事實(shí)上，仍然可以對(duì)更大型的設(shè)計(jì)進(jìn)行軟件仿真，只是執(zhí)行速度奇慢無(wú)比。

一個(gè)示例

若要使用在10Hz下運(yùn)行的現(xiàn)代軟件仿真器來(lái)仿真在100MHz下運(yùn)行的1億ASIC門(mén)設(shè)計(jì)上的一秒鐘的真實(shí)數(shù)據(jù)，這絕非易事。在這種設(shè)計(jì)復(fù)雜度下，可能需要花費(fèi)1千萬(wàn)秒的時(shí)間。即2,778小時(shí)，或者115天。一秒鐘的100MHz真實(shí)數(shù)據(jù)等于1億個(gè)時(shí)鐘周期，這個(gè)數(shù)字相當(dāng)大，可能會(huì)超出處理典型測(cè)試平臺(tái)的要求。在處理典型測(cè)試平臺(tái)時(shí)，一毫秒或者更短時(shí)間就足夠了，在大內(nèi)存配置的最新PC上運(yùn)行時(shí)，則會(huì)將執(zhí)行時(shí)間縮短至一天或更短。這是個(gè)合理的目標(biāo)。

HDL軟件仿真器可以在PC場(chǎng)中并行運(yùn)行，每個(gè)PC會(huì)處理功能完善的測(cè)試平臺(tái)。半導(dǎo)體公司有成千上萬(wàn)臺(tái)PC構(gòu)成的計(jì)算場(chǎng)全天運(yùn)行。

但1億周期仍不足以處理嵌入式軟件設(shè)計(jì)。由于處理軟件在本質(zhì)上為串行流程，所以對(duì)于這項(xiàng)任務(wù)來(lái)說(shuō)，有必要按順序執(zhí)行數(shù)十億周期。然而，帶有HDL軟件仿真許可的PC場(chǎng)卻鞭長(zhǎng)莫及。軟件程序無(wú)法在子集中進(jìn)行拆分，再并行運(yùn)行。

那么，要如何驗(yàn)證SoC設(shè)計(jì)的嵌入式軟件呢?

進(jìn)入時(shí)代

其實(shí)由來(lái)已久，它給設(shè)計(jì)人員在流片前提供了一種更為準(zhǔn)確的電路行為描述，因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)真實(shí)的電路和邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。硬件仿真始于20世紀(jì)80年代末，在20世紀(jì)90年代末盛行，當(dāng)時(shí)主要是通過(guò)商業(yè)FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，用于驗(yàn)證需要較長(zhǎng)測(cè)試周期的處理器和圖形設(shè)計(jì)。它們也遇到諸如電路建模難度高以及可靠性低等各種問(wèn)題。其成本也較為高昂，并且作為單用戶(hù)資源，其投資回報(bào)較低。然而，硬件仿真器的出色執(zhí)行速度仍使其成為長(zhǎng)處理周期的必要工具。

還是之前的示例，在1MHz下運(yùn)行的硬件仿真器需要花費(fèi)100秒來(lái)執(zhí)行1秒鐘的真實(shí)數(shù)據(jù)以及處理1億次周期。硬件仿真器可以在一小時(shí)左右的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)操作系統(tǒng)。而且，硬件仿真器的投入比重新流片便宜得多。

圖1：不同設(shè)計(jì)規(guī)模下軟件仿真與硬件仿真性能對(duì)比

HDL軟件仿真器由于緩存缺失和內(nèi)存交換，其執(zhí)行速度會(huì)隨著設(shè)計(jì)規(guī)模增加而急劇下降。不過(guò)與之不同的是，在此情況下，硬件仿真器的性能只會(huì)受到輕微影響(見(jiàn)圖1)。

由于商用FPGA硬件仿真器有一定的限制性，定制芯片硬件仿真器由此應(yīng)運(yùn)而生。這種硬件仿真器主要有兩種不同類(lèi)型：由MentorGraphics提供的定制FPGA硬件仿真器，又稱(chēng)片上硬件仿真器;以及由CadenceDesignSystems提供的基于處理器的硬件仿真器。同時(shí)，Synopsys也支持使用比標(biāo)準(zhǔn)FPGA硬件仿真器更為先進(jìn)且功能有所增強(qiáng)的最新商用FPGA硬件仿真器。

直到十年前，硬件仿真器才在電路硬件仿真(ICE)模式中被單獨(dú)部署為物理測(cè)試環(huán)境。由于當(dāng)流片提供激勵(lì)和處理響應(yīng)時(shí)，被測(cè)設(shè)計(jì)(DUT)將最終駐留在此環(huán)境中。因?yàn)殡y以進(jìn)行設(shè)置，ICE模式現(xiàn)在并不常見(jiàn)，而對(duì)更加靈活的測(cè)試環(huán)境的需求卻在不斷增長(zhǎng)。應(yīng)用硬件橋沒(méi)有可控性/可再現(xiàn)性，并且由于安裝時(shí)間和維護(hù)成本的增加，其還會(huì)增加測(cè)試環(huán)境的復(fù)雜度。由于可合成的測(cè)試平臺(tái)能在硬件仿真器內(nèi)部進(jìn)行映射，并且無(wú)需依賴(lài)外部環(huán)境便可以硬件仿真器的最高速度執(zhí)行，因此該測(cè)試平臺(tái)區(qū)域還有其他可行的替代方案。不過(guò)遺憾的是，它們不易開(kāi)發(fā)。

基于事務(wù)的驗(yàn)證或加速(TBV或TBX)是業(yè)內(nèi)最看好的方法，具有兩方面的優(yōu)勢(shì)。首先，能采用少一個(gè)數(shù)量級(jí)的代碼行，在更高抽象層次寫(xiě)入測(cè)試平臺(tái)，簡(jiǎn)便而又不易出錯(cuò)。其次，由于在硬件仿真器內(nèi)部映射晶體管的總線功能模型(BFM)實(shí)現(xiàn)了急劇加速，這些測(cè)試平臺(tái)比傳統(tǒng)RTL平臺(tái)執(zhí)行更快。另一個(gè)益處是，當(dāng)用戶(hù)切換設(shè)計(jì)或新用戶(hù)登錄時(shí)，TBV或TBX不需要人為監(jiān)督來(lái)處理速度適配器。這種方式也適合于遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

何時(shí)使用軟件仿真，何時(shí)使用硬件仿真

HDL軟件仿真器適用于設(shè)計(jì)周期早期階段的硬件調(diào)試，早期階段的設(shè)計(jì)主要專(zhuān)注于模塊級(jí)別。憑借易用、快速設(shè)置、極速設(shè)計(jì)編譯等特點(diǎn)，它們可以極其靈活地調(diào)試硬件設(shè)計(jì)。它們還支持每天進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代…只要設(shè)計(jì)規(guī)模合理。但在數(shù)千萬(wàn)門(mén)級(jí)別時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，這在現(xiàn)在看來(lái)只是典型的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。如上所述，它們并不適合嵌入式軟件驗(yàn)證。

相反，硬件仿真能找到幾乎所有設(shè)計(jì)缺陷，無(wú)論是在硬件中還是在SoC嵌入式軟件中。硬件仿真可處理任何設(shè)計(jì)規(guī)模，但需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行環(huán)境搭建，至少一天，也可能更長(zhǎng)時(shí)間。而且，相比軟件仿真器，其編譯速度相對(duì)較慢，大約需要一小時(shí)以上才能完成編譯(見(jiàn)圖2)。

圖2：基于性能、設(shè)計(jì)能力和設(shè)置/編譯時(shí)間的軟件仿真與硬件仿真對(duì)比

現(xiàn)代硬件仿真器支持多個(gè)并發(fā)用戶(hù)，包括通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)，因此可增加投資回報(bào)。