基于形式驗證的高效RISC-V處理器驗證方法

RISC-V的開放性允許定制和擴(kuò)展基于 RISC-V 內(nèi)核的架構(gòu)和微架構(gòu)，以滿足特定需求。這種對設(shè)計自由的渴望也正在將驗證部分的職責(zé)轉(zhuǎn)移到不斷壯大的開發(fā)人員社群。然而，隨著越來越多的企業(yè)和開發(fā)人員轉(zhuǎn)型RISC-V，大家才發(fā)現(xiàn)處理器驗證絕非易事。新標(biāo)準(zhǔn)由于其新穎和靈活性而帶來的新功能會在無意中產(chǎn)生規(guī)范和設(shè)計漏洞，因此處理器驗證是處理器開發(fā)過程中一項非常重要的環(huán)節(jié)。

在復(fù)雜性一般的RISC-V 處理器內(nèi)核的開發(fā)過程中，會發(fā)現(xiàn)數(shù)百甚至數(shù)千個漏洞。當(dāng)引入更多高級特性的時候，也會引入復(fù)雜程度各不相同的新漏洞。而某些類型的漏洞過于復(fù)雜，導(dǎo)致在仿真環(huán)節(jié)都無法找到它們。因此必須通過添加形式驗證來賦能 RTL 驗證方法。從極端漏洞到隱匿式漏洞，形式驗證能夠讓您在合理的處理時間內(nèi)詳盡地探索所有狀態(tài)。

在本文中，我們將介紹一個基于形式驗證的、易于調(diào)動的 RISC-V 處理器驗證程序。與 RISC-V ISA 黃金模型和 RISC-V 合規(guī)性自動生成的檢查一起，展示了如何有效地定位那些無法進(jìn)行仿真的漏洞。通過為每條指令提供一組專用的斷言模板來實(shí)現(xiàn)高度自動化，不再需要手動設(shè)計，從而提高了形式驗證團(tuán)隊的工作效率。 

1、基于先進(jìn)內(nèi)核的處理器開發(fā)

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，同時對處理器的性能、功耗和面積（PPA）要求越來越高，因此我們將這樣的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)背景下用實(shí)際案例來分析處理器的驗證。Codasip L31 是一款用于微控制器應(yīng)用的 32 位中端嵌入式 RISC-V 處理器內(nèi)核。作為一款多功能、低功耗、通用型的 CPU，它實(shí)現(xiàn)了性能和功耗的理想平衡。從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到工業(yè)和汽車控制，或作為大型系統(tǒng)中的深度嵌入式內(nèi)核，L31可在一個非常小巧緊湊的硅片面積中實(shí)現(xiàn)本地處理能力。L31是通過 Codasip Studio 使用 CodAL 語言設(shè)計而成，該內(nèi)核完全可定制，包括經(jīng)典的擴(kuò)展和特性，以及實(shí)現(xiàn)這些擴(kuò)展和特性所需的高效和徹底的驗證。

圖1 Codasip L31處理器內(nèi)核架構(gòu)圖解（來源：Codasip） 

表 1 Codasip L31內(nèi)核展示了RISC-V處理器的優(yōu)異特性

2     創(chuàng)建最優(yōu)的RISC-V處理器驗證方法

處理器驗證需要制定合適的策略、勤勉的工作流程和完整性，而方興未艾的、更加靈活的RISC-V處理器開發(fā)則需要針對自己處理器功能設(shè)置做詳盡的驗證規(guī)劃；也需要參考一些內(nèi)核供應(yīng)商的內(nèi)外部因素，比如該供應(yīng)商自己的開發(fā)工具體現(xiàn)和外部開發(fā)工具伙伴，以及同系、同款或者同廠內(nèi)核的出貨量等。

驗證處理器意味著需要考慮諸多不確定性。最終產(chǎn)品將運(yùn)行什么軟件？用例是什么？可能發(fā)生哪些異步事件？這些未知數(shù)意味著較大的驗證范圍。然而，覆蓋整個處理器狀態(tài)空間是無法實(shí)現(xiàn)的，這也不是Codasip這樣的領(lǐng)先內(nèi)核供應(yīng)商的目標(biāo)。

在確保處理器品質(zhì)的同時，充分利用時間和資源才是處理器驗證的正解。明智的處理器驗證意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中盡早并高效地發(fā)現(xiàn)相關(guān)漏洞。在頂層方面，Codasip提供了多種創(chuàng)新的驗證路徑，其驗證方法基于以下內(nèi)容：

●         驗證是在處理器開發(fā)期間與設(shè)計團(tuán)隊合作完成的。

●         驗證是所有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的組合。使用多種技術(shù)可以讓您最大限度地發(fā)揮每一種技術(shù)的潛力，并有效地覆蓋盡可能多的極端情況。

●         驗證需持續(xù)進(jìn)行。有效的辦法是運(yùn)用隨著處理器復(fù)雜程度而不斷發(fā)展的技術(shù)組合。

在驗證L31內(nèi)核時，我們的想法是讓仿真和形式驗證相輔相成。 

2.1                      仿真的優(yōu)勢和目的

仿真實(shí)際上不可或缺，它允許我們在兩個級別上進(jìn)行驗證設(shè)計：

●         頂層仿真（Top-level），主要是為了確保設(shè)計在最常見的情況下符合其規(guī)范（CPU 的 ISA）。

●         塊級仿真（Block-level），以確保微架構(gòu)按照預(yù)期設(shè)計。然而，很難將這些檢查與頂層架構(gòu)規(guī)范聯(lián)系起來，因為這通常依賴于定向隨機(jī)測試生成，因此能夠應(yīng)付棘手和不尋常的情況。

頂層仿真通常不像塊級仿真那樣特意強(qiáng)調(diào)設(shè)計。因此，它可以實(shí)現(xiàn)針對 ISA 的設(shè)計的整體驗證。 

2.2                      形式驗證的優(yōu)勢和目的

形式驗證使用數(shù)學(xué)技術(shù)對以斷言形式編寫的問題提供有關(guān)設(shè)計的明確答案。

形式驗證工具對斷言和設(shè)計的組合進(jìn)行詳盡的分析。不需要指定任何刺激，除了指定一些非正常情況以避免假漏洞。該驗證工具可以提供詳盡的“已證實(shí)”答案或“失敗”答案，同時生成顯示刺激的波形，證明斷言是錯誤的。在大型和復(fù)雜的設(shè)計中，工具有時只能提供有限的證明，這意味著從重置到特定數(shù)量的周期都不存在漏洞場景。同時也存在不同的技術(shù)方法來增加該周期循環(huán)次數(shù)，或獲得“已證明”或“失敗”的答案。

形式驗證用于以下情況：

●         為完整的驗證一個模塊，潛在地消除了任何仿真的需要。由于形式驗證的計算復(fù)雜性，形式化驗收（sign-off）僅限于小模塊。

●         除了仿真之外，還要驗證一個模塊，即使是個大模塊，因為形式驗證能夠在極端情況下找到漏洞，而隨機(jī)仿真只能“靠運(yùn)氣”找到，而且概率非常低。

●         處理一些仿真不充分的驗證任務(wù)，例如時鐘門控、X態(tài)傳播（X-propagation）、數(shù)據(jù)增量處理（CDC）、等價性檢查等。

●         幫助調(diào)查缺少調(diào)試信息的已知漏洞，并確定潛在的設(shè)計修復(fù)。

●         對漏洞進(jìn)行分類和識別，以便通過形式驗證來學(xué)習(xí)和改進(jìn)測試平臺/仿真。

●         為了潛在地幫助仿真，填充覆蓋范圍中的漏洞。 

3                           解決方案：一種基于形式驗證的高效的 RISC-V 處理器驗證方法

為了獲得一種高效的RISC-V處理器驗證方法，我們決定以采用西門子EDA 處理器驗證APP來高效驗證Codasip  L31 RISC-V 內(nèi)核為例，來進(jìn)行詳盡的說明。該工具的目標(biāo)是確保 RTL 級別的處理器設(shè)計正確且詳盡地實(shí)現(xiàn)指令集架構(gòu) （ISA）規(guī)范，而本文希望介紹的是一種端到端的解決方案

1.        該工具從一個頂層并有效的“黃金模型”中生成以下：

●         在 Verilog 語言中，ISA 的單周期執(zhí)行模型。

●         一組斷言，用于檢查待測試模塊 （DUT）和模型 （M）在架構(gòu)級別的功能是否相同。

注意：這并沒有進(jìn)行任何正式等價性檢查。

2.        當(dāng)在 DUT 中獲取新指令 （I）時，會捕獲架構(gòu)狀態(tài) （DUT-init）。

3.        該指令在流水線中運(yùn)行。

4.        捕獲另一個架構(gòu)狀態(tài)（DUT-final）。

5.        M 被輸入 DUT-init 和 I，并計算出一個新的 M-final 狀態(tài)。

6.        斷言檢查 M-final 和 DUT-final 中的資源是否具有相同的值。

圖 2 3 級 L31 內(nèi)核的端到端驗證流程（當(dāng)驗證指令 I 既沒有停止也沒有清除緩存數(shù)據(jù)時） 

這種端到端的驗證方法可以在比整個CPU 更小、更簡單的模塊（例如數(shù)據(jù)緩存）上合理實(shí)現(xiàn)?？梢栽诰彺嫔蠈懭攵说蕉藬嘌?，以驗證寫入特定地址的數(shù)據(jù)是否從同一地址正確讀取。這使用了眾所周知的形式驗證技術(shù)，例如記分牌算法。

然而，對于 CPU來說，手動編寫這樣的斷言是不可行的。它需要指定每條指令的語義，并與所有執(zhí)行模式交叉。這通常根本不可能實(shí)現(xiàn)。 CPU 的形式驗證被分成更小的部分，但是仍然無法驗證所有部分是否正確執(zhí)行了 ISA。

使用建議的方法意味著能夠立即驗證完整的 L31 內(nèi)核，而無需編寫任何復(fù)雜的斷言。如上所述，黃金模型和檢查斷言是自動生成的。

這種方法同時具有高度可配置性和自動化性，特別是對于 RISC-V CPU，例如 L31：

●         用戶可以指定設(shè)計執(zhí)行的頂層 RISC-V 參數(shù)和擴(kuò)展。

●         該工具能夠自動從設(shè)計中提取數(shù)據(jù)，例如將架構(gòu)寄存器與實(shí)際每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)相關(guān)聯(lián)。

●         該工具允許添加自定義，例如用來驗證的新指令（具有為用戶“擴(kuò)展”黃金模型的能力）。

最后，黃金模型不是由Codasip開發(fā)的（除了一些自定義部分），這一事實(shí)提供了額外的保證，這從驗證獨(dú)立性的角度來看很重要。 

本文摘錄于《基于形式的高效 RISC-V 處理器驗證方法 – 形式化驗證》白皮書，出版人為總部位于歐洲的全球領(lǐng)先RISC-V供應(yīng)商和處理器解決方案領(lǐng)導(dǎo)者，該公司的處理器IP目前已部署在數(shù)十億顆芯片中。Codasip通過開放的RISC-V ISA、Codasip Studio處理器設(shè)計自動化工具與高品質(zhì)的處理器IP相結(jié)合，為客戶提供定制計算。這種創(chuàng)新方法能夠輕松實(shí)現(xiàn)定制和差異化設(shè)計，從而開發(fā)出高性能的、改變游戲規(guī)則的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)真正意義上的轉(zhuǎn)型。如希望得到該白皮書的完整版本，可瀏覽Codasip中文網(wǎng)站或者關(guān)注該公司微信公眾號。