仿真設(shè)計數(shù)據(jù)中心為驗證工程師帶來福音

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 仿真設(shè)計數(shù)據(jù)中心為驗證工程師帶來福音 如今，越來越多的設(shè)計在系統(tǒng)層面開展，這是前所未有的。而讓這一切得以實現(xiàn)的，是硬件仿真技術(shù)。硬件仿真允許將存放器傳輸級（RTL）源代碼作為模型，但同時又能提供足夠的處理能力支持系統(tǒng)級工作，特別是涉及到軟件開發(fā)或運行軟件工作負荷的情況。 因此，硬件仿真已取代了興盛30余年的RTL模擬器，成為萬眾矚目的焦點。需要注意的是，我并非在此提倡大家摒棄RTL模擬器。在早期設(shè)計階段的硬件驗證過程，RTL模擬器當然是，而且是無與倫比的。它能快速編譯一個設(shè)計頁面，還具有某種程度的互動“假設(shè)”分析，在設(shè)計尺寸有限的情況下，其他任何工具都望塵莫及。

2、 對于知識產(chǎn)權(quán)（IP）模塊來說，確實如此。然而對于系統(tǒng)集成和系統(tǒng)驗證測試而言，在需要對軟硬件同時開展測試的情況下，軟件仿真則太過緩慢，而且不切實際。需要一個數(shù)據(jù)點嗎？我們假設(shè)，一個1億等效門的ASIC以100 MHz的頻率運行，一個設(shè)計團隊嘗試仿真它一秒鐘的真實數(shù)據(jù)。我們不妨大方地假設(shè)仿真器以100Hz的頻率運行，那么將耗時100萬秒-即277小時，或11天。相比之下，一個以1MHz的頻率運行的硬件仿真器則只需要100秒。我的假設(shè)到此為止。 但是這種解決方案成本不菲，因此仿真數(shù)據(jù)中心便應(yīng)運而生且廣受驗證工程師的青睞。為創(chuàng)立可服務(wù)于世界各地的諸多驗證工程師及軟件開發(fā)人員的仿真設(shè)計數(shù)據(jù)中心，需要滿

3、足以下三個條件。系統(tǒng)必須支持： 非常強大的設(shè)計容量和多個并發(fā)用戶 遠程訪問 資源管理 我們來逐一開展詳細討論。 滿足設(shè)計容量與多用戶的需求 設(shè)計尺寸將分布曲線往上推至幾億ASIC等效門。極端情況下，有些設(shè)計已經(jīng)超過10億門。通常情況下，IP組塊到達數(shù)以千萬計門。與此同時，設(shè)計團隊在擴招軟件開發(fā)人員，其數(shù)量大大超過硬件設(shè)計師的人數(shù)。在擁有如此多樣化的設(shè)計社區(qū)的公司，需要一個容量為數(shù)百億門、7*24小時不間斷運行的硬件仿真平臺。 目前，的硬件仿真平臺可提供的容量上限為數(shù)十億門，足以創(chuàng)立有史以來的設(shè)計，卻仍然無法滿足一家大公司的需求。處理嵌入式軟件需要依次運行數(shù)十億周期。倘若速度為1MHz,則運行1

4、0億周期需要1,000秒的時間。若單個設(shè)計需消耗所有的仿真資源，那么該設(shè)計任務(wù)將在運行期間獨占整個硬件仿真器，其他所有用戶在此期間將無法使用。這種情況可能需要數(shù)小時的時間。 這一問題可通過兩種方法得到解決。種方法是，硬件仿真平臺的架構(gòu)需支持多個并發(fā)用戶共享仿真資源，但要注意的是，任何進程都無法獨占整個平臺容量。第二種方法即建立一個由數(shù)個硬件仿真平臺構(gòu)成的仿真工廠。這種方法將得到仿真器供給商的青睞。 例如，Mentor Graphics的Veloce2可在其雙Maximus平臺中支持大約20億門設(shè)計，可供多達128個用戶同時使用。具體的用戶數(shù)還和設(shè)計大小有關(guān)，Veloce2 Maximus可支持

5、以上任意組合（圖表1）。 圖1.通常情況下，多個并發(fā)用戶有不同的設(shè)計容量需求。 Veloce2的硬件架構(gòu)已從頭開始重新設(shè)計，以防止將多個單獨的機箱拼湊在一起。與計算機服務(wù)器類似，它包含多個機架，配備了邏輯板、電源和連接背板。還包括驗證板（AVBs）、電源架、以及采用活動開關(guān)連接各AVBs的矩陣板?？偠灾?，該系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。一個雙Maximus平臺即可滿足任何公司的容量需求，無論是大的單個設(shè)計還是需要多種設(shè)計尺寸的批量用戶。 遠程訪問 遠程訪問帶來了一種主導(dǎo)驗證領(lǐng)域30余年且廣受歡迎的仿真資源配置模式的終結(jié)。在線仿真器（ICE）模式下，硬件仿真器內(nèi)映射的待測設(shè)計（DUT）連接到實際芯片待命的

6、目標系統(tǒng)。 目標系統(tǒng)可能包括大量的物理設(shè)備。不幸的是，由于快速目標系統(tǒng)與實際設(shè)備在處理速度上的巨大差距，且硬件模擬器內(nèi)的相對緩慢的設(shè)計可能僅為兩個或三個數(shù)量級，因此直接連接是不可能的。 基本上都需要采用一個速度適配器開展連接，以讓高時鐘頻率的芯片適應(yīng)低時鐘頻率的硬件仿真器。速度適配器的選擇應(yīng)基于不同的設(shè)計及目標系統(tǒng)的接口類型，如PCI Express、USB和以太網(wǎng)。ICE對于實際通信流量情景測試來說是非常好的，例如檢驗設(shè)計中帶有的SATA磁盤驅(qū)動器是否能有效工作。 另外，在涉及物理目標的ICE模式下，保存和復(fù)原也極具挑戰(zhàn)性。假設(shè)用戶有一個磁盤驅(qū)動器連接到映射在硬件仿真器內(nèi)的DUT上，并試圖保

7、存DUT狀態(tài)。由于磁盤驅(qū)動器持續(xù)轉(zhuǎn)動，且其狀態(tài)無法保存，因而用戶無法使用硬件仿真器的內(nèi)置功能執(zhí)行該任務(wù)。 遠程訪問使硬件仿真器成為一種共享資源，可供一個極其廣闊的地域范圍內(nèi)諸多用戶及團體使用，其中不少用戶甚至可能位于地球的另一端，與我們有十幾個時區(qū)之隔。為了完成這一任務(wù)，ICE模式需要一組技術(shù)人員7*24小時持續(xù)不斷地為每個用戶及每個設(shè)計插拔速度適配器，這完全不現(xiàn)實。 假設(shè)ICE無法實現(xiàn)，那么是否有其他方法支持遠程訪問呢？答案是肯定的。這種方法時常被稱為“無目標仿真”,它采用軟件測試環(huán)境來替代物理測試臺。簡單的實現(xiàn)情況下，.它可能基于可綜合的測試平臺，消除了和外部世界的關(guān)聯(lián)從而到達全速仿真。

8、然而，可綜合測試平臺會限制設(shè)計師的創(chuàng)造力與靈活性。另一方面，非可綜合性測試平臺，特別是采用硬件驗證語言（HVL）編寫的測試平臺需要采用軟件仿真器執(zhí)行，而且還需要一個編程接口語言（PLI）接口和運行DUT的硬件仿真器連接。這些因素都會對平臺性能造成影響， 但我們?nèi)阅茉O(shè)法解決此問題。 20世紀90年代末期，IKOS（于20*年被Mentor Graphic收購）首創(chuàng)了把測試平臺中驅(qū)動DUT的比特信號級接口，移至可重復(fù)利用的獨立單元。任何接口都是一個可綜合的基于協(xié)議的狀態(tài)機或總線功能模型。 這種方法有兩個重大的益處。首先，可在更高層次的抽象界面使用數(shù)行代碼編寫測試程序。這樣編寫起來更容易，執(zhí)行起來速

9、度也更快，映射到硬件仿真器內(nèi)的總線功能模塊的速度也會顯著提高。IKOS將該總線功能模塊稱作執(zhí)行器（transactors），將新的仿真模式稱為協(xié)同建模（co-modeling）。 用于測試平臺加速的TBX是一種基于交易的驗證模式，是一種新興的行業(yè)趨勢。用戶在不同的設(shè)計間切換時，或新用戶登錄時，都無需專人監(jiān)視插拔速度適配器。這種模式為遠程訪問奠定了根底。 三家仿真器供給商-Cadence Design Systems、Mentor Graphics、Synopsys-均支持通過基于交易的方法開展遠程訪問。某個供給商創(chuàng)造了一種虛擬驗證環(huán)境，相當于一個虛擬實驗室，即類似于物理實驗室，但采用虛擬設(shè)備建

10、造而成。該虛擬實驗室合并采用了三種技術(shù)：硬件仿真、基于交易的驗證、ICE目標。 一套虛擬設(shè)備包括一個在主工作站上運行的軟件堆棧，主工作站采用交易執(zhí)行器接口與硬件仿真器上運行的協(xié)議IP開展通信。這種捆綁帶來了一種協(xié)議解決方案，用戶可在設(shè)備驅(qū)動器層面驗證IP并采用實際軟件和設(shè)備驅(qū)動器自身來驗證DUT.（圖表2）。 圖2.USB3.0大容量存儲可在仿真環(huán)境中作為虛擬外圍設(shè)備建模。 虛擬實驗室與ICE目標解決方案功能相當，但去除了電纜和硬件適配器，因為虛擬設(shè)備采用現(xiàn)有的驗證軟件IP與硬件仿真器上的特定協(xié)議RTL設(shè)計IP和DUT開展通信。相比于硬件ICE目標，虛擬設(shè)備具備以下優(yōu)勢： 便于遠程使用。因為只

11、要安裝了協(xié)同模塊主機，無需將額外的硬件連接到硬件仿真器便可安裝虛擬設(shè)備。 靈活性更高。單個硬件加速器資源可供多個設(shè)計團隊分享，因為硬件仿真器上運行的DUT無需電纜連接，且分區(qū)限制較少。 無需對專門的硬件開展特定訪問，便可定義功能控制器上運行的目標協(xié)議軟件棧的可見性。 目標協(xié)議函數(shù)控制器核的可見性/可追溯性可通過對提交的RTL源代碼的簡單IP保護開展定義，且監(jiān)視器和檢查器運行時，方便訪問標準總線。 虛擬環(huán)境允許用戶通過虛擬調(diào)試接口（JTAG）探針對嵌入式軟件開展調(diào)試，而無需采用實體JTAG探針。探針采用JTAG協(xié)議的優(yōu)點在于，通常不會受到硬件仿真器慢速時鐘頻率的影響。當將物理設(shè)備連接到硬件仿真器

12、中運行的虛擬設(shè)計時，需要減少時鐘頻率和數(shù)據(jù)頻率以匹配硬件仿真器中設(shè)計的速度。采用了虛擬JTAG,硬件仿真器便能隨時停止，時鐘頻率變化時也無需擔心干擾與軟件調(diào)試器的連接。 但缺點是，JTAG連接會對被調(diào)試的設(shè)計的狀態(tài)產(chǎn)生影響。JTAG探針技術(shù)的替代選擇是使用基于跟蹤的系統(tǒng)來啟用硬件仿真器上運行的程序調(diào)試?；镜奶幚砥鞲櫰骺商峁┨幚砥髦邪l(fā)生所有事件的列表。 一家供給商提供了一種離線軟件調(diào)試工具用于仿真。這種離線軟件調(diào)試工具基于跟蹤器，包括對處理器狀態(tài)的傳統(tǒng)調(diào)試器視圖，并執(zhí)行所有的符號表和處理器狀態(tài)解碼。由于采用了跟蹤技術(shù)，它不會對正在運行的系統(tǒng)操作產(chǎn)生影響或干擾。仿真過程完成后，可以脫離回放數(shù)據(jù)

13、庫運行，且運行速度可達100 MIPS. 復(fù)雜的資源管理 越來越多開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的公司擁有較大的硬件設(shè)計師和嵌入式軟件開發(fā)人員團隊，他們通常分布于世界各地，或位于不同的洲。要服務(wù)于這樣的企業(yè)，硬件仿真器平臺需要充足的設(shè)計能力和遠程控制，但僅滿足這兩個要求仍然不夠。還有一個極其微妙的需求，即先進的資源管理。 任何現(xiàn)代仿真系統(tǒng)都由主板構(gòu)成，主板又由機箱中的背板互相連接而成。多個機箱連接在一起，設(shè)計能力便得以擴大，可超過十億門。為吸引開發(fā)團隊，須對這些資源開展自動化管理。 從開發(fā)周期的早期到終的系統(tǒng)集成及交付階段，設(shè)計團隊需要不分晝夜地處理大量仿真工作。包括IP、子系統(tǒng)以及整個系統(tǒng)層面的硬件驗證任務(wù)

14、，以及任何形式的嵌入式軟件驗證工作，從軟件驗證例程到驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和診斷。有些步驟需要有限的容量，而其他步驟則需要全部的設(shè)計能力。而且，這僅僅是針對單個設(shè)計項目而言。通常情況下，大公司長期都同時開展幾十個設(shè)計項目，盡管只有少數(shù)幾個項目能終投產(chǎn)。因此情況更為復(fù)雜。 我們再次以Mentor Graphics的Veloce2為例。其完全擴展的雙Maximus配置包含8個Quattro機箱，每個機箱中又包含16個主板。這樣一個平臺可以支持多達128個并發(fā)用戶。工作過程中可能隨時需要對各種資源（AVBs）開展實時重新分配。倘若要手工執(zhí)行這些任務(wù)，那必將是一個噩夢（圖表3）。 圖3.Ment

15、or Graphics的Veloce2 Maximus平臺可支持多達128個并發(fā)用戶。 此外，為提高效率，資源管理器必須采用作業(yè)調(diào)度優(yōu)先級機制，因為有些工作可能具有更高的優(yōu)先級。Platform Computing用于作業(yè)調(diào)度的載荷分享設(shè)施（LSF）或許能對工作優(yōu)先級開展安排調(diào)度，但功能仍然有待完善。 而且工作優(yōu)先級可能會隨時發(fā)生變化，這讓情況變得更為復(fù)雜。當有更高優(yōu)先級的工作要求馬上執(zhí)行時，必須有支持“暫停/恢復(fù)”功能的設(shè)計，以便隨時停止當前的進程（圖表4）。 圖4.“暫停/恢復(fù)”功能可對工作開展列隊和優(yōu)先級處理。 相比于十年前，硬件仿真器的可靠性已大大提高，但仍然無法稱之為完美。因為硬件經(jīng)常會出現(xiàn)故障，當這種情況發(fā)生時，防止硬件仿真器發(fā)生任何停機的情況，是至關(guān)重要的，否則會影響終的交付時間。資源管理器必須在不強迫主板上運行的設(shè)計重新編譯的情況下，對故障主板開展隔離。同樣重要的是，還要追蹤硬件仿真器的使用情況，包括日常維護調(diào)度、運行診斷和提交結(jié)果。 結(jié)論 基于仿真的現(xiàn)代驗證方法需具備供數(shù)十名軟硬件工程師同