互連總線的產(chǎn)品生命周期（上）

可攜式刺激源標(biāo)準(zhǔn)（PSS）是最新的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，其用來規(guī)范測(cè)試意圖與行為，讓測(cè)試刺激源可重復(fù)套用到不同的目標(biāo)平臺(tái)。PSS不僅改變系統(tǒng)單芯片（SoC）傳統(tǒng)的確認(rèn)與驗(yàn)證方法，也帶來了許多優(yōu)點(diǎn)以及衍生不少挑戰(zhàn)。本文探討這些流程演變，以及從SystemC效能分析探索互連總線架構(gòu)的生命周期，藉以透過通用型PSS流量產(chǎn)生器進(jìn)行確認(rèn)與驗(yàn)證。

隨著設(shè)計(jì)要求日趨復(fù)雜，驗(yàn)證技巧與方法也隨之不斷演進(jìn)?？蓴y式刺激源標(biāo)準(zhǔn)（PSS）是演進(jìn)的最新產(chǎn)物，它的目的是因應(yīng)測(cè)試可移植性的挑戰(zhàn)。新型PSS允許用戶建立測(cè)試意圖，藉以重復(fù)套用到不同的目標(biāo)平臺(tái)。除了可移植性之外，PSS驗(yàn)證技巧還提供多方面的價(jià)值，包括視覺測(cè)試代表性、限制設(shè)定、數(shù)據(jù)流隨機(jī)性及更高的測(cè)試質(zhì)量。

后續(xù)的流程演變，包括SoC確認(rèn)與驗(yàn)證流程，以及采用PSS技巧，這對(duì)了解其沖擊相當(dāng)重要。本文探討這些演變，提出一項(xiàng)互連總線架構(gòu)的案例研究，進(jìn)行SystemC效能分析解說確認(rèn)與驗(yàn)證過程。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)
隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜度持續(xù)攀升，包括SystemC模型分析、架構(gòu)探索及高階合成（HLS）等流程演進(jìn)，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與整合流程中越來越常見。這些流程演變衍生出許多要求，其中包括檢查是否符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。參與這些流程的團(tuán)隊(duì)會(huì)用使用不同類型的平臺(tái)與語言來推動(dòng)這些演變。盡管存在這些差異，后續(xù)流程的基本規(guī)格都是相同，因此導(dǎo)致出現(xiàn)許多重復(fù)工作。

架構(gòu)研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)使用SystemC與架構(gòu)探索與TLM模型分析法建立虛擬平臺(tái)，藉以執(zhí)行架構(gòu)探索與軟件開發(fā)。組件設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)則會(huì)在模塊層級(jí)設(shè)計(jì)Verilog組件并加以整合，再以人工或自動(dòng)化程序建立系統(tǒng)。

IP層級(jí)的驗(yàn)證通常采用UVM驗(yàn)證在IP層級(jí)進(jìn)行，而在系統(tǒng)層級(jí)方面則使用C語言與以UVM方法。UVM環(huán)境讓檢查組件從IP層級(jí)到系統(tǒng)層級(jí)都能輕易重復(fù)使用，但測(cè)試刺激源通常會(huì)重新撰寫，藉以在頂層UVM環(huán)境運(yùn)行，或使用C語言撰寫藉以在芯片層級(jí)的處理器上運(yùn)行。建立測(cè)試組件驗(yàn)證startup類別/組態(tài)以及模塊的基本模式運(yùn)行，在實(shí)際芯片測(cè)試過程中會(huì)重復(fù)執(zhí)行，因?yàn)闇y(cè)試平臺(tái)需要新測(cè)試程序或是必須在評(píng)估板上運(yùn)行。因此軟件團(tuán)隊(duì)必須針對(duì)客戶的接口撰寫驅(qū)動(dòng)程序。

當(dāng)各團(tuán)隊(duì)使用不同語言與技巧執(zhí)行重復(fù)性工作，經(jīng)常導(dǎo)致出現(xiàn)假性bug通報(bào)，并大幅拖慢上市時(shí)程。因此業(yè)界需要更好的解決方案，讓整個(gè)項(xiàng)目所有撰寫測(cè)試碼的人員都用一套共通語言，并讓大部分的功能驗(yàn)證測(cè)試在橫向與縱向方面都能無縫重復(fù)利用。這種不同以往的方法正是PSS驗(yàn)證技巧帶來的優(yōu)勢(shì)。

PSS定義出新的測(cè)試撰寫語言，它將讓業(yè)界能自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試程序，運(yùn)用單一測(cè)試源套用到不同平臺(tái)。除了橫向的可重復(fù)使用性（模擬、仿真、機(jī)板層級(jí)、測(cè)試器等），新語言還允許測(cè)試程序的縱向重復(fù)使用性。在IP層級(jí)開發(fā)的測(cè)試程序在SoC層級(jí)上可更輕易整合與重復(fù)使用。

可攜式刺激源在更高的抽象層上運(yùn)行，它和目標(biāo)平臺(tái)的種類完全獨(dú)立。這里的目標(biāo)平臺(tái)可以是UVM式驗(yàn)證環(huán)境、C/C++與SoC型環(huán)境、C語言與PythonR芯片后評(píng)估平臺(tái)等。

PSS應(yīng)用提供建立通用型應(yīng)用的卓越機(jī)會(huì)，用來在各種層級(jí)進(jìn)行檢驗(yàn)與測(cè)試意圖。在多處理器SoC中使用互連總線，也會(huì)出現(xiàn)類似的機(jī)會(huì)。我們需要在不同層級(jí)檢驗(yàn)與評(píng)估功能及效能。

由于必須根據(jù)SoC的特定需求明智挑選互連總線架構(gòu)，因此需要進(jìn)行初期效能分析，這方面可使用系統(tǒng)模型分析（通常以C/SystemC語言撰寫）。這方面必須建立可檢驗(yàn)系統(tǒng)模型的測(cè)試程序。選好組態(tài)以及產(chǎn)生RTL之后，就需要執(zhí)行IP層級(jí)的檢驗(yàn)。這方面需要執(zhí)行UVM驗(yàn)證以及UBM程序。因此，產(chǎn)生的RTL除了在SoC系統(tǒng)層級(jí)進(jìn)行整合，還需執(zhí)行在SoC層級(jí)的驗(yàn)證。這方面通常是撰寫C/C++執(zhí)行程序的驗(yàn)證與確認(rèn)

所有這些互連驗(yàn)證應(yīng)用都可采用PS技巧建立可重復(fù)使用的測(cè)試程序。要完成這種工作，會(huì)針對(duì)通用流量產(chǎn)生器建立PSS模型，這種模型會(huì)針對(duì)不同主控器（master）數(shù)量建立不同的讀取與寫入模式。流量產(chǎn)生器會(huì)針對(duì)每種主控器產(chǎn)生不同分布的流量，藉以仿真（emulated）高速與慢速的主控器。

此外，我們還能單獨(dú)控制哪個(gè)主控器在什么頻率下產(chǎn)生流量，以及建立連續(xù)（back-to-back）與延遲的交易。圖1顯示運(yùn)用PSS流量產(chǎn)生器的流程。紫色模塊代表含有通用從屬端與主控器的互連總線，綠色模塊則代表RTL，或是驅(qū)動(dòng)總線交易的行為模型。PSS式流量產(chǎn)生器（粉紅色）整合與控制這些模塊，用來驅(qū)動(dòng)與收集交易。流量產(chǎn)生器除了應(yīng)付不同種類的流量產(chǎn)生需求，還針對(duì)SystemC應(yīng)用、UVM、以及C語言測(cè)試等各種目標(biāo)建立測(cè)試。每種程序在整合與測(cè)試方面的處理方式都不相同，我們會(huì)在后面詳細(xì)介紹。


 
圖1 : 互連總線在效能分析與驗(yàn)證的PSS流程

互連總線的SystemC效能分析
互連總線的效能分析是在SoC開發(fā)流程中盡可能在初期對(duì)系統(tǒng)效能與功率進(jìn)行定量量測(cè)?；ミB總線的效能必須針對(duì)各種類型應(yīng)用、平臺(tái)、以及互連組態(tài)（拓?fù)?、功能、組態(tài)）進(jìn)行評(píng)估。過程中涉及搜集需求、建立規(guī)格、歸納出這些規(guī)格、最終轉(zhuǎn)化為符合效能/功率/面積要求的內(nèi)聚設(shè)計(jì)。迭代程序在設(shè)計(jì)過程中持續(xù)進(jìn)行。每次迭代都必須搜集規(guī)格，并和設(shè)計(jì)與研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行交流。

這方面是采用SystemC代表TLM模型，藉以反映SoC規(guī)格，這些規(guī)格可用來精準(zhǔn)預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為。圖2顯示這種流程，一開始是從設(shè)定工具開始，工具用來產(chǎn)生SystemC模型。這些模型是工具套件的一部分，我們?cè)O(shè)定套件使其配合設(shè)計(jì)的各項(xiàng)需求。它可用來產(chǎn)生精準(zhǔn)周期，或針對(duì)AMBA主控器與從屬端、頻率產(chǎn)生器、以及刺激源建立粗略模型。產(chǎn)生模型后，必須撰寫這個(gè)層級(jí)的流量模式，可選擇以人工撰寫或使用自動(dòng)程序文件將規(guī)格轉(zhuǎn)換成實(shí)際仿真與產(chǎn)生結(jié)果。之后運(yùn)用特定仿真器來仿真模型，提供解決方案進(jìn)行效能的量化分析。


 
圖2 : 使用SystemC建模法分析效能

盡管已有模型與分析工具，但使用這些工具來處理多項(xiàng)候選設(shè)計(jì)，耗費(fèi)時(shí)間會(huì)相當(dāng)可觀。使用描述式（scripts）來產(chǎn)生流量雖然可以提供某些類型的流量模式，但繁復(fù)的情境產(chǎn)生程序仍會(huì)是一項(xiàng)問題。此外，由于各項(xiàng)模擬非常費(fèi)時(shí)，因此在模擬結(jié)束后進(jìn)行分析，勢(shì)必會(huì)增加試驗(yàn)的數(shù)量，藉以達(dá)到預(yù)期的數(shù)據(jù)。

另外，再加上設(shè)計(jì)以及效能建模程序中花在規(guī)格管理的時(shí)間，可看出我們需要更趨自動(dòng)化的流程，這種流程應(yīng)以單一來源做為起點(diǎn)。PSS技巧是因應(yīng)這些挑戰(zhàn)的有效方法。PSS工具的隨機(jī)化機(jī)制，一開始是抽象描述DUT高階狀態(tài)的合法交易，然后自動(dòng)列舉覆蓋測(cè)試所需的最小測(cè)試組合，涵蓋整個(gè)狀態(tài)空間的各路徑。

PSS工具的覆蓋機(jī)制能衡量在特定狀態(tài)空間中已覆蓋多少狀態(tài)。這種能力讓系統(tǒng)在產(chǎn)生任何刺激源之前就能量測(cè)覆蓋狀況，因此能節(jié)省執(zhí)行此程序的時(shí)間。PSS覆蓋數(shù)據(jù)讓用戶能檢視橫向（transverse）路徑以及產(chǎn)生測(cè)試程序，藉以覆蓋最大長(zhǎng)度的圖像。因此能以遠(yuǎn)低于一般受限隨機(jī)驗(yàn)證程序耗費(fèi)的周期，藉以達(dá)到更高的覆蓋率。

PSS工具亦提供測(cè)試意圖的視覺代表，藉以提供更好的情境圖像表征。指向式測(cè)試涵蓋特定的測(cè)試條件，可透過這項(xiàng)功能輕易轉(zhuǎn)移。此外它亦能限制某些條件組合，因此能針對(duì)特定功能組合建立受限制隨機(jī)情境。PSS技巧基本上能維持如圖2所示的流程，但路線產(chǎn)生程序會(huì)有明顯的改變。

流量產(chǎn)生器的核心是通用PSS模型，模型容納的算法負(fù)責(zé)產(chǎn)生不同類型的流量模式。這是刺激源與測(cè)試情境的單一表征方式。這種模型可用多種方法進(jìn)行設(shè)定，產(chǎn)生的測(cè)試程序可包含許多可能產(chǎn)生流量組合的其中一項(xiàng)。它包含三個(gè)部分:

1.執(zhí)行模塊（Exec blocks）

執(zhí)行模塊是從外部程序代碼擷取的陳述，這些陳述位于目標(biāo)平臺(tái)的PSS包裝函式（wrapper）。對(duì)于SystemC程序，客制化程序代碼會(huì)執(zhí)行不同類型的讀取與寫入作業(yè)，將數(shù)據(jù)寫入底層環(huán)境。在UVM SV部分，它也有衍生至工具提供宏（收發(fā)器產(chǎn)生）的邏輯，并透過PLI系統(tǒng)呼叫來和SV世界進(jìn)行互動(dòng)。另外還有一個(gè)部分（C語言產(chǎn)生）能執(zhí)行轉(zhuǎn)譯與運(yùn)用C語言進(jìn)行互動(dòng)，在不同平臺(tái)之間無縫重復(fù)備使用。

2.PSS模型 :

根據(jù)整組規(guī)格建立的實(shí)際使用案例模型。它包含的功能組合，涵蓋執(zhí)行一系列動(dòng)作的高階程序。流量產(chǎn)生器包含不同的算法組合，代表各種簡(jiǎn)單與復(fù)合動(dòng)作。這些功能最終會(huì)呼叫執(zhí)行模塊的函式，用來在SV端執(zhí)行指令。

3.PSS組態(tài)：

模型一般需要特定信息來產(chǎn)生特定測(cè)試。這些信息和驗(yàn)證有關(guān)連，像是AMBA主控器、從屬端、主控器種類、來源與目的地地址、存取種類、平均帶寬、突發(fā)大小、數(shù)據(jù)量、頻率、以及帶寬需求等。這項(xiàng)信息必須取自規(guī)范，藉以產(chǎn)生測(cè)試意圖的正確表征。

圖3 代表PSS流量模式產(chǎn)生流程，最先是從剖析規(guī)格開始。Python語言撰寫的描述式用來剖析電子表格格式的規(guī)格，擷取出特定格式的數(shù)據(jù)可透過PSS模型與組態(tài)加以讀取。之后利用PSS工具剖析PSS模型與組態(tài)，產(chǎn)生測(cè)試意圖的視覺表征。


 
圖3 : 運(yùn)用PSS流程產(chǎn)生流量模式

圖4顯示一部分的測(cè)試意圖視覺表征。圖中有代表寫入與讀取作業(yè)的條件、單一或Burst Mode，以及不同總線大小，可加以控制以產(chǎn)生不同類型的流量模式。紫色的部分代表能轉(zhuǎn)移（transverse）的條件，藍(lán)色則屬于不被納入考慮的部分。這種安排能協(xié)助用戶圖像化，以及限制部分的流量。



 
圖4 : 測(cè)試意圖與PSS覆蓋范圍的視覺代表圖

倘若使用者沒有加入限制條件，PSS工具會(huì)隨機(jī)選取某些組態(tài)，然后建立受限制的隨機(jī)測(cè)試。在這個(gè)階段還可以搜集工具覆蓋范圍，以及提早分析完整性（completeness）。工具執(zhí)行的覆蓋分析方法，可在工具產(chǎn)生測(cè)試中衡量測(cè)試意圖的覆蓋狀況。圖4代表PSS工具產(chǎn)生的PSS覆蓋范圍。粉紅色模塊代表未覆蓋的條件，綠色則代表已覆蓋的條件。使用者可觀察這種代表圖，針對(duì)未覆蓋的條件建立測(cè)試。

在產(chǎn)生測(cè)試程序后，再執(zhí)行后置處理描述式以建立流量模式，這種模式兼容于效能分析仿真工具的客制化格式。接著下一步是執(zhí)行模擬并產(chǎn)生流量，產(chǎn)生大量的未處理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)之后經(jīng)過處理，匯整出不同標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)與視覺圖像，對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效分析。
表1顯示幾個(gè)例子，這些產(chǎn)生報(bào)告內(nèi)含各項(xiàng)參數(shù)，用來針對(duì)含有多個(gè)主控器與從屬端的SoC對(duì)其除錯(cuò)器進(jìn)行效能分析，再對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。這種分析可以是一（主控器）對(duì)一（從屬端）與多對(duì)一模擬（稱為實(shí)驗(yàn)），根據(jù)平臺(tái)規(guī)格產(chǎn)生結(jié)果。系統(tǒng)是根據(jù)頻率頻率的靜態(tài)分析以及平臺(tái)規(guī)格定義的數(shù)據(jù)寬度產(chǎn)生這些實(shí)驗(yàn)，設(shè)定用來讓系統(tǒng)在理論最高帶寬運(yùn)行。

一般而言，PSS流量允許更好地配置隨機(jī)情境，鎖定特定的總線組態(tài)。此外，測(cè)試意圖的視覺表征有助于產(chǎn)生更好的限制。可視化覆蓋促成更好的流量模式，因此在特定的主控器-從屬端系統(tǒng)中，只需較少次數(shù)的迭代就能達(dá)到最高的可行帶寬。
 

表1. 運(yùn)用系統(tǒng)解決方案PSS仿真的數(shù)據(jù)收集

我們看到實(shí)質(zhì)的改善，包括運(yùn)用PSS技巧，在經(jīng)過次數(shù)的迭代后就能達(dá)到最高平均仿真帶寬，進(jìn)而節(jié)省仿真周期與分析時(shí)間。藉由減少建立互連架構(gòu)效能模型所需的工作量，以及在統(tǒng)一規(guī)格下的單一真值來源（single source of truth），任何重新設(shè)定時(shí)間都能大幅縮短。這樣的流程讓我們能探索許多設(shè)計(jì)候選方案，然后選用其中一項(xiàng)執(zhí)行時(shí)序收斂以及RTL流程。

（本文作者Gaurav Bhatnagar、Courtney Fricano為ADI主任工程師）