通用控制器功能驗證中的仿真應(yīng)用

系統(tǒng)級芯片(SoC)設(shè)計服務(wù)供應(yīng)商正面臨越來越大的壓力，需要不斷增強(qiáng)其設(shè)計和服務(wù)的靈活性。隨著靈活性的增加又要求供應(yīng)商更加仔細(xì)地驗證整個系統(tǒng)，而仿真則是驗證的核心。本文以通用控制器為例，討論仿真在功能驗證中的作用。
在討論SoC設(shè)計時，功能驗證是zui爭議性話題之一，可編程通用控制器也不例外。SoC主要針對便攜式消費電器市場，如MP3播放器和yi動電話等產(chǎn)品，我們對此花費大量時間進(jìn)行可行性研究，力圖使最先提出的要求得到優(yōu)化。一個結(jié)構(gòu)完整、計劃周密的功能驗證要占整個項目預(yù)算的40%，這樣做的結(jié)果可使客戶在拿到原始樣品的一周內(nèi)就可在器件上完成MP3音樂處理。
這類器件有幾個關(guān)鍵要求。首先顧名思義，可編程通用控制器必須靈活才能保證能在盡可能多的便攜式應(yīng)用中得到支持；此外，由于它定位于便攜式應(yīng)用，功耗是主要考慮因素，這就要求有多種功率管理模式和功能強(qiáng)大且復(fù)雜的時鐘方案；對很多該類器件來說，數(shù)據(jù)安全是另一個主要考慮因素，因此要用大量時間來保證存儲在嵌入式存儲器里的數(shù)據(jù)受到仔細(xì)的劃分和保護(hù)。
器件分為三個區(qū)：處理器子系統(tǒng)、通信接口和管理模塊，整個結(jié)構(gòu)建立在ARM7TDMI系統(tǒng)處理器上(圖1)，并有一些嵌入式存儲器和外設(shè)支持處理器的工作，包括UART、定時器、實時時鐘(RTC)、監(jiān)視計時器和中斷控制器，另外還有專用通信外設(shè)包括USB功能內(nèi)核、GPIO(通用輸入輸出)、UART和同步串行接口(SSP)等，以便于與外部器件的連接。專用管理電路則有電源、存儲器保護(hù)、安全電路、復(fù)位以及時鐘管理模塊等設(shè)計。
高帶寬外設(shè)置于Amba高性能總線(AHB)上，包括USB內(nèi)核和存儲器模塊。AHB最高時鐘頻率為64MHz，為保證AHB外設(shè)符合ARM Amba標(biāo)準(zhǔn)，可由客戶提供USB，由芯片供應(yīng)商與IP庫供應(yīng)商提供存儲器模塊，這就是說需要設(shè)計特殊的封裝接口。另外還要設(shè)計存儲器保護(hù)單元，管理存儲器分區(qū)。
從上可以看出，一項很大且必須要認(rèn)真對待的問題就是要從多個不同來源得到眾多不同的IP，因為不可能也沒必要在一個SoC(如本文所述的例子)設(shè)計中wan全驗證所有功能模塊，畢竟采取IP復(fù)用方法的主要原因是為了縮短面市時間。
如前所述，設(shè)計既包括幾種來源不同的IP，也有原始邏輯。雖然新邏輯必須要作全面測試(這非常重要)，但對于已有的硅片模塊，集成時只需驗證其接口保證集成正確即可，這就是控制器設(shè)計方法。
綜合測試
我們建立一組回歸模擬模型，全面測試所有器件接口和新邏輯。但在某些時候，回歸模型會因為時間運行太長而不能控制，而且結(jié)果會消失，因為被測區(qū)域經(jīng)常有大量重復(fù)。由于總擔(dān)心還有缺陷存在，所以很難判斷何時應(yīng)停止測試。
對這類設(shè)計進(jìn)行模擬時通常的做法是采用分段方式。雖然在開發(fā)含有嵌入式處理器的SoC時采取這種分段模擬方式很重要，但并不能保證加上軟件后該器件功能就正確，因此人們普遍認(rèn)為光靠模擬還不行。和模擬環(huán)境相比，把軟件放在芯片上運行可以使芯片以更多種方式工作，并且更加che底。
對于可編程通用控制器之類的器件，含有嵌入式處理器所帶來的好處經(jīng)常會被忽略。我們在模擬環(huán)境中采取的方法是以匯編程序為主的測試，針對特定的要求，它包括用存儲器映射基準(zhǔn)測試模塊，使驗證過程的各方面(配置、合格/不合格檢驗和性能)通過匯編代碼本身進(jìn)行控制。
這也是我們所采納的一個經(jīng)過考驗的方法，盡管用這些不同水平的模擬和增加代碼范圍來保證試驗已經(jīng)足夠，但也不能忽視在器件上運行的軟件，它畢竟是系統(tǒng)的一個有機(jī)組成部分。
在控制器開發(fā)中采用的另一個功能強(qiáng)大的驗證技術(shù)是仿真，我們使用一個含有ARM處理器的現(xiàn)成仿真板。這是一種低成本高效率方案，其主要優(yōu)點是便攜性好，能讓客戶進(jìn)行初始軟件開發(fā)，而且還讓我們對設(shè)計的RTL代碼進(jìn)行更詳盡的試驗，其數(shù)據(jù)輸出能力明顯高于仿真環(huán)境所能實現(xiàn)的程度。
從客戶觀點看，應(yīng)用仿真環(huán)境背后的主要動力是客戶以及客戶的客戶都能方便地開發(fā)應(yīng)用代碼，這種方式很成功。一旦開發(fā)出與仿真有關(guān)的測試和軟件，問題的數(shù)量將會下降，但是發(fā)現(xiàn)的問題其復(fù)雜性和嚴(yán)重程度卻增加了。最復(fù)雜的問題一般只能通過應(yīng)用仿真之類的技術(shù)才能發(fā)現(xiàn)，使用仿真的主要目的是在RTL用到芯片之前更che底地預(yù)先運行，因此先要把未修改的RTL用到FPGA中。
對于任何仿真方法，無論大小還是成本高低，都需要做一些折衷。系統(tǒng)速度必須可以按比例變化，就像我們的仿真方法一樣，還必須考慮構(gòu)建方案，因為一個Altera FPGA的容量是有限的。 HSPACE=12>器件內(nèi)的SSP模塊樣式有重復(fù)，所以不需要所有的都做仿真?？煽紤]兩種配置情況?？梢宰C明，對控制器進(jìn)行仿真具有很大價值。