以FPGA為基礎(chǔ)的SoC驗(yàn)證平臺 自動化電路仿真?zhèn)慑e(cuò)功

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)。

臺灣工業(yè)技術(shù)研究院 (工研院, ITRI) 在今年的設(shè)計(jì)自動化大會(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)證平臺對工研院而言是前景看好的嶄新領(lǐng)域，對其支持臺灣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

這款SoC設(shè)計(jì)是高效能的Android兼容多媒體SoC平臺。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)榧せ頞S(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，自動選取大約100個(gè)探測訊號(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存在外接的2GB探測訊號內(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)動程序間的關(guān)系。

工研院團(tuán)隊(duì)透過思源科技Verdi自動偵錯(cuò)系統(tǒng)的進(jìn)階觀察、追蹤與分析功能，來使用儲存的探測資料進(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。