ICE時代正在悄然離去

　　硬件仿真是唯一一個可以部署在多個操作模式中的驗證工具。事實上，它可應用于四個主要模式中，而且模式間的結合使用可以增加靈活性。基于以下兩個特征對硬件仿真的應用模式進行分類：對映射到硬件仿真器中被測設計(DUT)的激勵類型，以及DUT的響應過程。具體包括：

　　1.內(nèi)電路硬件仿真(ICE)模式： 使用物理目標設備，通過頻率適配器來驅動硬件仿真器中的DUT。

　　2. 基于事務的硬件仿真或加速模式： 使用虛擬目標設備，通過驗證IP來驅動硬件仿真器中的DUT。

　　3. 軟件仿真測試平臺加速模式：通過程序語言界面(PLI)驅動硬件仿真器中DUT的寄存器傳輸級(RTL)測試平臺。

　　4. 嵌入式軟件加速模式：在硬件仿真器中的DUT處理器上執(zhí)行軟件代碼。

　　將幾種模式組合起來似乎是很有道理的，例如同時處理嵌入式軟件及通過驗證IP驅動DUT的虛擬測試平臺。

　　ICE

　　縱觀以往，ICE模式是最早提出的一種架構，這也是三十年前開始設計硬件仿真的原因。在ICE模式中，DUT映射到硬件仿真器內(nèi)部，而硬件仿真器連接到由真實芯片組成的目標系統(tǒng)。

　　ICE具有兩大關鍵優(yōu)勢。第一，目標系統(tǒng)可在DUT內(nèi)外生成真實流量，從而在本質(zhì)上取代了基于軟件的傳統(tǒng)測試平臺。因此，無需創(chuàng)建測試平臺，即可消除耗時又容易出錯的工作，減輕驗證工程團隊因超負荷測試龐大設計所帶來的負擔。

　　第二，能夠以硬件仿真器的最大速度運行，較傳統(tǒng)的硬件描述語言(HDL)軟件仿真器而言，其速度提升了5~6個數(shù)量級。也就是兆赫與幾十赫茲之間的差別。而現(xiàn)如今，其可能不再那么精確了。

　　ICE模式存在諸多問題，有些已清楚明了，有些卻還尚未明確。首先，無法直連目標系統(tǒng)，因為相較于硬件仿真器內(nèi)部DUT的時鐘，目標系統(tǒng)時鐘的運行速度提高幾個數(shù)量級，從而必須被限制到一或幾兆赫。

　　為解決該問題，必須在目標系統(tǒng)與映射至硬件仿真器內(nèi)部的DUT之間插入速度適配器——基本上就是一種基于先進先出(FIFO)寄存器的協(xié)議相關接口。它能夠讓目標系統(tǒng)的快速時鐘適配硬件仿真器相對較慢的時鐘速度。這種方法存在一些缺點，因為適配器通常會通過犧牲部分功能和準確性來換取性能。同時，PCI Express(PCIe) 或以太網(wǎng)等高速協(xié)議也將會減速，以應對適配器中FIFO內(nèi)在容量的不足。

　　圖1：帶有多個物理接口的SoC通過速度適配器和實際外圍設備進行建模。(由Mentor Graphics提供)

　　此外，適配器的周期精確行為由于同樣的原因也將與實際協(xié)議有所不同。配置僅局限于每個協(xié)議一個測試用例，且不涉及邊緣測試用例或任何“假設”分析。更不用說作為硬件的加速適配器針對電效應和磁效應所受到的影響。它們必須重置電路，需要磁屏蔽以及布設電纜和連接器，因為所有這些因素均可能影響其靈活性和可靠性。除此之外，相比軟件解決方案，它們所能獲得的利潤率較低。

　　另一個明顯的缺點就是在驅動DUT時，物理目標系統(tǒng)相對缺乏確定性行為或非重復性行為。多次運行同一測試時，其周期和時序可能會有所不同。也就是說，設計錯誤可能不會總在同一時刻出現(xiàn)。更糟糕的是，錯誤可能會完全不出現(xiàn)，影響問題的定位。此外，ICE模式無法實現(xiàn)物理目標執(zhí)行保存和恢復的能力。硬件仿真只能保存 DUT 的狀態(tài)，而非目標系統(tǒng)的狀態(tài)。

　　然而，其最大的缺點就是它的極度不便性。如果沒有人在現(xiàn)場提供幫助，對每個用戶和設計相對應的速率適配器進行插拔，可能無法遠程訪問ICE模式的配置。

　　這一切均給ICE模式的使用帶來麻煩，因而需要尋找其他替代方法。一種方法就是將物理測試環(huán)境變更為通過事務接口連接DUT的虛擬測試環(huán)境。這種部署模式通常稱為基于事務的驗證或TBX，由Mentor Graphics推廣，適用于測試平臺加速。

　　基于事務的驗證

　　基于事務的驗證并不是一個新概念，它在軟件仿真領域已實踐多年，主要受到生成復雜測試場景需求的驅動，旨在應對片上系統(tǒng)(SoC)不斷攀升的復雜度。

　　從概念上講，這一構想十分簡單。測試通過一種高級語言(例如SystemVerilog、SystemC或C++)從高抽象層次編寫，并且從高級命令到位級信號的轉換任務由一個叫做驗證IP的專用實體執(zhí)行(以下簡稱“驗證IP”)。

　　一般來說驗證IP包括可綜合的用于實現(xiàn)接口協(xié)議的狀態(tài)機功能模塊。它可以使設計人員專注于創(chuàng)建復雜的測試平臺，而無需理會討厭的細節(jié)問題。通過將物理接口的抽象層次從周期/位級提升至事務層，驗證IP可簡化SoC 與其外圍設備之間數(shù)據(jù)交換的描述。完成創(chuàng)建后，驗證IP可重復使用。驗證IP的示例包括一些通信協(xié)議，例如以太網(wǎng)、USB、PCIe、內(nèi)存訪問、JTAG端口，甚至是數(shù)碼相機和LCD。

　　這一切聽起來都不錯，但卻存在一個問題。此方法會產(chǎn)生大量測試周期，導致軟件仿真器運行受阻。而軟件仿真器仍然會通過驗證IP執(zhí)行從高級命令到位級信號的轉換。運行分析器，然后發(fā)現(xiàn)測試平臺所消耗的執(zhí)行時間超過50%，甚至可能高達95%(其余時間由DUT消耗)，這種情況并不少見。

　　硬件仿真平臺必須得伸出援手，幫助提升頻率性能，確保其速度不低于ICE。這是通過將驗證IP的后端部分映射至硬件平臺上實現(xiàn)的，而驗證IP主要執(zhí)行從高級命令到位級信號的轉換。

　　以SystemVerilog、SystemC或C++等語言編寫的測試平臺會驅動驗證IP的前端部分，進而提供比基于事務軟件仿真快出5或6個數(shù)量級的執(zhí)行速度。現(xiàn)在完全可以通過將一套速度適配器(以太網(wǎng)、PCI或USB)更換為對等的驗證IP來構建一個虛擬的測試環(huán)境，從而取代ICE測試平臺。

　　通過軟件控制

　　與ICE不同，驗證IP可從軟件控制中受益。它可幫助智能驗證環(huán)境實現(xiàn)高度靈活性并確保實現(xiàn)復用。例如，設計人員可以從動態(tài)主機中捕獲和回放流量;通過轉發(fā)設備與芯片之間的事務模擬內(nèi)電路連接;或將轉換應用于事務的數(shù)據(jù)流以實現(xiàn)難以獲取的邊緣測試用例。

　　相關實例：通過PCI驗證IP，可將PCI軟件驅動程序插入含有PCI接口的硬件仿真設計中，這與在ICE中通過硬件速度適配器的執(zhí)行操作類似。但是現(xiàn)在，軟件調(diào)試程序可以通過JTAG驗證IP與硬件仿真器相連，并以單步模式運行，而通過JTAG物理連接卻無法實現(xiàn)這一操作。

　　同樣重要的是，當設計人員完全控制并非由硬件測試平臺提供的設計時鐘時，調(diào)試就變得更加輕松，也更加有效了。通過控制時鐘頻率，可以停止建模，讀取內(nèi)存內(nèi)容，強制賦值寄存器或轉儲波形。

　　在ICE模式中調(diào)試需要硬件邏輯分析儀。如果使用ICE方法，設計人員就必須忍受真實硬件行為的突發(fā)狀況，并且以犧牲可重復性為代價。相反，基于驗證IP的虛擬測試環(huán)境可以幫助設計人員快速重現(xiàn)問題。此外，無需連結DUT與硬件測試平臺，讓設計人員在遠程位置執(zhí)行DUT，開啟了通過遠程訪問創(chuàng)建仿真數(shù)據(jù)中心的大門。

　　由此看來，對于虛擬測試平臺這一方法來說，創(chuàng)建測試平臺似乎是唯一的一個缺點。而Mentor Graphics及其物理實驗室VirtuaLAB(包括在工作站控制的軟件中執(zhí)行的所有外圍設備)已成功解決這一問題。

　　虛擬設備

　　虛擬設備的功能與物理外圍設備的功能相當，但虛擬設備不依賴于復位電路、電纜、連接器、磁屏蔽等硬件設備，也不會受到諸多麻煩的干擾。它們?nèi)Q于全面的測試軟件IP，該IP與嵌入到映射至仿真器上的DUT中的特定協(xié)議RTL設計IP進行通信。

　　圖2：虛擬設備將在控制工作站(協(xié)同建模主機)上運行的軟件堆棧與通過TBX數(shù)據(jù)線在硬件仿真器上運行的通信協(xié)議IP組合起來。(由Mentor Graphics提供)

　　虛擬設備包括在工作站上運行的軟件堆棧，該工作站通過TBX數(shù)據(jù)線與仿真器相連。整個封裝可用于在設備級別上測試IP以及通過真實軟件或設備驅動程序本身執(zhí)行DUT驗證。

　　與硬件ICE目標相比，虛擬設備的優(yōu)勢更為豐富：

　　輕松實現(xiàn)遠程訪問，無需安裝連接到硬件仿真器的任何硬件設備。

　　自由靈活地在多個設計團隊中共享單個硬件仿真器，無需配置用于連接的速度適配器和電纜。

　　在控制工作站上運行的目標協(xié)議軟件堆棧清晰可見。

　　表1 總結了ICE的優(yōu)點和缺點(相較于基于事務加速模式)。

　　然而，可能是出于習慣或者尚不知曉更好的替代方法，許多設計人員仍然沿用ICE模式。事實上，硬件仿真平臺的所有供應商均聲明支持ICE，雖然有些實現(xiàn)方案明顯優(yōu)于其他。然而，一旦設計人員通過硬件仿真體驗了基于事務的驗證方法，他們的驗證觀點就會有所轉變。能夠快速創(chuàng)建強大的測試環(huán)境而不受繁瑣的ICE硬件的干擾，那么我們就可以更加輕松且更為有效地進行調(diào)試。這就是我認為ICE時代正在悄然離去的原因。