SoC驗證流程和方法

我們需要越來越復雜的芯片和SOC,用于所有使用人工智能等最新技

術(shù)的新應用。例如,蘋果公司的5nmsOCA14具有6核CPU、4核

gpu和16核神經(jīng)引擎，每秒11萬億次運算，包含118億個晶體管,

AWS的7nm64位Graviton2定制處理器包含300億個晶體管。設

計這樣復雜的芯片需要一個標準和經(jīng)過驗證的驗證流程，包括在每個

級別上廣泛的驗證?從塊到IP到子系統(tǒng)到SoCz使用各種驗證方法和

技術(shù)。

在本文中讓我向您介紹用于驗證ip、子系統(tǒng)和soc的各種驗證方法，

并解釋為什么我們需要PSS這樣的新方法/標準。

了解我們?nèi)绾问褂肧oC構(gòu)建電子系統(tǒng)對于處理SoC驗證流程的驗證

工程師是至關(guān)重要的，無論是在IP級別進行白盒驗證，子系統(tǒng)級別的

灰盒驗證，還是在SoC級別的黑盒驗證。

我們?nèi)绾问褂肧oC構(gòu)建電子系統(tǒng)?

任何芯片，一個簡單的嵌入式微控制器，或一個復雜的片上系統(tǒng)[SoC]

將有一個或多個處理器。圖1顯示了一個復雜的電子系統(tǒng)，包括智能

手機等電子設備所需的硬件和軟件。

ApplicationSoftware/YouTube4T1AVW仆

11l1CON

/Netflix

/Clock

SyttemSoftware/1/0operations

DeviceDriven/Allocatetforagcandmemory

ProtocolStack/Multipleapplicationprogram!inparallel

OperatiD^System

ARMCdmpikrARMISA?ARMAwoablyhagu<c

ARMAssemblerARMISA-ARMMadunc)

HARDWARE

ARMI/OIniEacd

Manory

Processor

電子系統(tǒng)

圖1:電子系統(tǒng)和片上系統(tǒng)

硬件是由一個復雜的SoC組成的，它包含了設備所需的幾乎所有組件。

在智能手機的案例中，我們集成了所有稱為IPs［知識產(chǎn)權(quán)］的硬件組件，

如cpu.gpu、DSP、應用處理器，接口ip,如USB、UART、SPI、

I2C、GPIO,以及子系統(tǒng)，如系統(tǒng)控制器、帶有控制器的內(nèi)存、藍牙

和WiFi等，并創(chuàng)建SoC。使用SoC有助于我們減少設備的尺寸和功

耗，同時提高其性能。

軟件由應用軟件和系統(tǒng)軟件兩部分組成。應用軟件提供用戶界面，系

統(tǒng)軟件提供應用軟件與硬件的交互界面。以智能手機為例，應用軟件

可以是YouTube、Netflix、GoogleM叩等移動應用程序，系統(tǒng)軟件

可以是ios或android等操作系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件提供了諸如固件和協(xié)議

棧之類的所有東西，以及應用程序軟件與硬件接口所需的操作系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件的中心組件，并行管理多個應用程序線程、內(nèi)

存分配和I/O操作。

讓我來解釋一下整個系統(tǒng)是如何運作的，就像智能手機一樣。例如，

當您在智能手機上調(diào)用計算器之類的應用程序時，操作系統(tǒng)將可執(zhí)行

二進制文件從存儲內(nèi)存加載到RAM中。然后它立即加載它的開始地

址到它的處理器的程序計數(shù)器［PC］。處理器［ARM/X86/RISC-V］執(zhí)行

PC［RAM地址］指向的RAM/Cache中加載的二進制。這個預編譯的

二進制文件只是處理器的機器語言，因此處理器根據(jù)它的指令

［ADD/SUB/MULT/LOAD］執(zhí)行應用程序并計算結(jié)果。

了解使用處理器的SoC設計過程可以幫助驗證工程師在系統(tǒng)級處理

任何復雜的子系統(tǒng)/芯片驗證。作為SoC驗證過程的一部分，驗證工

程師在他們的長期職業(yè)生涯中可能需要處理各種各樣的事情，如系統(tǒng)

建模的虛擬原型、IP、子系統(tǒng)和SoC功能驗證、軟硬件協(xié)同驗證、仿

真、ASIC原型、后硅驗證等。因此，作為驗證專家，需要具備完整的

軟硬件知識和理解才能獨立工作，有時還需要與軟件團隊密切合作，

處理軟件、RTOS/回件/棧，以便進行芯片/系統(tǒng)級驗證。

現(xiàn)在讓我們探討各種驗證方法。

IP驗證

IP是任何SoC的基本構(gòu)建模塊。因此,IP驗證需要徹底的白盒驗證，

這種驗證需要像正式驗證和隨機模擬這樣的方法，特別是對于處理器

IP,因為在任何SOC中，一切都是由它們發(fā)起和驅(qū)動的。圖2顯示了

我們?nèi)绾问褂没趕ystemverillog的UVMTB的徹底隨機模擬來驗

證處理器IP。所有處理器指令都可以用各種隨機值模擬，生成函數(shù)、

斷言和代碼覆蓋。我們使用覆蓋率來度量驗證的進度和質(zhì)量，然后為

最后的驗證簽字。IP級別的驗證需要在HVL編程、形式化和動態(tài)ABV、

仿真調(diào)試以及使用vip和EDA工具方面有良好的專業(yè)知識。

圖2RISC-VUVM驗證環(huán)境

ABV-基于斷言驗證，VIP-驗證IP

UVM-UniversalVerificationMethodologyUVC-UVM

Verification組件

bfm-總線功能模型vip-驗證IPral-寄存器抽象層

子系統(tǒng)瞼證

子系統(tǒng)主要由預先驗證的ip和一些新構(gòu)建的ip組成，如橋和特定于

芯片的系統(tǒng)控制器。圖3顯示了我們?nèi)绾螐囊粋€子系統(tǒng)構(gòu)建一個SoC,

該子系統(tǒng)使用像AMBA這樣的片上總線集成了所有必要的接口ip、

橋和系統(tǒng)控制器。在這種情況下，我們更喜歡基于模擬的灰盒驗證，

尤其是使用驗證ip的隨機模擬。所有vip,如AXI,AHB,APB,GPIO,

UART,SPI和I2CUVCs[UVM驗證組件]將被配置并與各自的接口連

接。如圖3所示，我們創(chuàng)建了其他TB組件，如參考模型、記分牌和

UVMRAL,用于驗證環(huán)境的自檢。我們在頂層執(zhí)行各種VIPUVM序

列，驗證數(shù)據(jù)流，并測量總線的性能。

圖3子系統(tǒng)UVM驗證環(huán)境

SoC驗證

soc主要由預先驗證的第三方ip和一些內(nèi)部ip組成。通常，我們更

喜歡使用硬件仿真或SoC級驗證的仿真技術(shù)的黑盒驗證。例如，您可

能會遇到一個復雜的SoC驗證環(huán)境,如圖4所示。SoC測試臺［TB］將

有各種各樣的測試臺組件，如標準的UVM驗證ip［USB/藍牙/WiFi

和標準接口］，帶有UVM包裝的遺留HDLTB組件［JTAG代理］，自定

義UVM代理［固件代理］,以及一些監(jiān)視器,此外還有記分牌和

SystemC/C/C++功能模型。在這種情況下，您將不得不在芯片級別

處理固件和UVM序列。作為一名驗證工程師，您需要知道如何使用

標準的vip、舊的HDLBFMs和固件代碼來實現(xiàn)這種混合驗證環(huán)境，

更重要的是，如何使用EDA工具來自動化模擬/仿真。

圖4:SoC驗證環(huán)境

UVM-UniversalVerificationMethodologyUVC-UVM

Verification組件

bfm-總線功能模型vip-驗證IPral-寄存器抽象層。讓我來解釋一下

它是如何工作的。例如，如果SoC使用ARM處理器,通常我們將

ARMRTL［加密網(wǎng)表/RTL］替換為其稱為DSM［設計仿真模型］的功能

模型，該模型可以使用固件［用C編寫］作為啟動任何操作和驅(qū)動所有

其他外設［RTLIPs］的刺激。因此，SoC驗證人員編寫UVM序列，通

過固件測試案例生成各種定向場景，并驗證SoC功能。在模擬過程中,

固件C源代碼被編譯為目標代碼［ARM機器語言二進制］，并加載到片

內(nèi)RAM中。ARM處理器模型［DSM］從內(nèi)存中讀取目標代碼，并通過

配置和驅(qū)動所有RTL外圍設備塊［Verilog/VHDL］來啟動操作。它適用

于模擬和仿真。如果SoC非常復雜，則首選硬件仿真，以加快驗證過

程，實現(xiàn)更快的驗證簽收。

WhyPSS?

圖5:IP、子系統(tǒng)和SoC臉證方法

PSS定義:便攜測試和刺激標準定義了一個規(guī)范，用于創(chuàng)建刺激和測試

場景的單一表示，可以由不同配置下不同集成級別的各種用戶使用，

支持生成在各種執(zhí)行平臺上運行的場景的不同實現(xiàn)，包括但不限于模

擬、仿真、FPGA原型設計和后硅。有了這個標準，用戶可以一次性指

定一組行為，從這些行為可以派生出多個實現(xiàn)。

圖6:PSS流程

如圖6所示，使用PSS,我們可以定義測試場景，并使用任何驗證技

術(shù)在任何級別的IP/子系統(tǒng)/SoC上執(zhí)行它們。例如，我們可以在PSS

中定義IP的測試場景。在IP級驗證中,我們可以使用EDA從其PSS

規(guī)范生成斷言，用于正式驗證，如果需要，我們可以從相同的PSS規(guī)

范生成UVM測試用例，用于模擬或SoC級的仿真。我們不需要手動

重寫IP/子系統(tǒng)級別的測試用例來在SoC級別遷移和重用它們。PSS

規(guī)范對于所有的技術(shù)都是相同的。根據(jù)我們的選擇，如正式/模擬/仿

真，EDA工具可以從P