戴兆麟，趙啟林，李 超，劉 璐

（1.上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201306；2.上海愛思爾教育科技有限公司，上海 200120）

近年來，我國集成電路行業(yè)發(fā)展迅速，隨著工藝制程水平和芯片需求的提高，為了提高設(shè)計效率，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，同時增強設(shè)計模塊的可移植性，片上系統(tǒng)（System-on-chip,SoC）成為芯片的主流形式。SoC通常集成有微處理器CPU、存儲單元（包括RAM、ROM、FLASH 等）以及各種I/O 接口（包括UART、SD 等），以完成命令處理、數(shù)據(jù)存儲、安全保護等功能。各個功能IP 通過系統(tǒng)總線連接，進行數(shù)據(jù)交互、功能控制響應(yīng)。為了高效地協(xié)調(diào)不同IP 間的互聯(lián)交互關(guān)系，對整個SoC 系統(tǒng)進行控制，以達到硬件資源、芯片面積、能源功耗的統(tǒng)一。在SoC 系統(tǒng)內(nèi)部總線端設(shè)有系統(tǒng)控制單元，通過該控制單元對集成在系統(tǒng)的各個IP 時鐘、復(fù)位以及特定的功能進行管理。文中介紹了SoC 芯片中系統(tǒng)控制單元的架構(gòu)與功能，同時構(gòu)建了基于SystemVerilog 的分層次驗證平臺，對該控制單元采用以覆蓋率為驅(qū)動的隨機化驗證策略進行功能驗證，在保證驗證準確性、完備性的同時，顯著提高驗證效率。

1 系統(tǒng)控制單元簡介

圖1 所示為系統(tǒng)控制單元架構(gòu)，系統(tǒng)控制單元主要由兩大模塊組成：時鐘控制模塊（soc_clk_gating）和復(fù)位控制模塊（soc_rst_ctrl）。時鐘控制模塊和復(fù)位控制模塊主要向系統(tǒng)中各個IP 模塊輸出或停止不同頻率的時鐘信號以及復(fù)位信號。同時可以通過系統(tǒng)總線訪問其內(nèi)置的控制寄存器（ctrl_register），通過讀寫控制寄存器內(nèi)容，可以實現(xiàn)CPU 的復(fù)位、重映射，使能JTAG，Pflash 寫保護控制以及與系統(tǒng)掛載的模擬模塊如PLL、OSC 模塊進行調(diào)配與控制。

圖1 系統(tǒng)控制單元架構(gòu)圖

2 基于SystemVerilog的驗證平臺

SystemVerilog 作為驗證語言，提高了代碼的生成率、可讀性及可重用性。以其面向?qū)ο蟮木幊獭⒁愿采w率驅(qū)動的驗證、受約束的隨機激勵、斷言驗證等特性，相比于其他編程語言，更容易實現(xiàn)高效率的以覆蓋率為驅(qū)動的分層次驗證平臺。

基于上述優(yōu)點，文中采用SystemVerilog 完成驗證平臺的搭建，實現(xiàn)了驗證平臺層次化、控制功能自動化驗證以及各個IP 時鐘、復(fù)位信號的自動化監(jiān)測等功能。

2.1 驗證平臺架構(gòu)

驗證平臺的架構(gòu)共有五個基類，分別是驅(qū)動類（Driver class）、數(shù)據(jù)發(fā)生類（Generater class）、計分板類（Scoreboard class）、監(jiān)控器類（Monitor class）、環(huán)境類（Environment class），并且提供了斷言、覆蓋率收集功能，可以更好地使測試用例覆蓋代碼邊角（Code corner），各個組件的數(shù)據(jù)信息通過郵箱（Mailbox）互通，如圖2 所示。

圖2 驗證平臺架構(gòu)

驗證平臺可實現(xiàn)產(chǎn)生隨機激勵、對待測設(shè)計施加激勵、收集待測設(shè)計的響應(yīng)、比對期望響應(yīng)與實際響應(yīng)結(jié)果，同時參考代碼覆蓋率、斷言覆蓋率等數(shù)據(jù)，對待測設(shè)計的各個功能點進行詳盡的驗證測試，消除待測設(shè)計中可能存在的邏輯錯誤。

2.2 驗證平臺的驗證方法與實現(xiàn)

在SoC 系統(tǒng)中，系統(tǒng)控制單元的功能可以分為兩個主體部分，其一是對系統(tǒng)中部分IP 模塊進行控制與數(shù)據(jù)交互，這依托于系統(tǒng)控制單元的APB 總線端口與其內(nèi)部的控制寄存器；另一部分則是為掛載于總線的各個IP 模塊提供時鐘與復(fù)位信號。故而對于系統(tǒng)控制單元的功能驗證點也主要分為兩方面，一方面是驗證系統(tǒng)控制單元能否通過APB 總線對內(nèi)部的控制寄存器進行正確的讀、寫操作，從而對掛載于總線上的各個IP 模塊進行配置與控制；另一方面則是驗證系統(tǒng)控制單元是否能準確地將時鐘與復(fù)位信號輸出到各個IP 模塊上。

控制寄存器功能的驗證流程如圖3 所示，數(shù)據(jù)發(fā)生器（Generater）依托于數(shù)據(jù)建模(Transcation)，可以產(chǎn)生特定或隨機的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)產(chǎn)生后首先傳送到數(shù)據(jù)代理器（Agent）中，數(shù)據(jù)代理器再將所得數(shù)據(jù)分別發(fā)送給驅(qū)動器（Driver）和計分板（ScoreBoard）中的參考模型（Reference model），采用數(shù)據(jù)代理器可以避免因發(fā)送時序等因素造成數(shù)據(jù)混亂或錯誤。數(shù)據(jù)傳給驅(qū)動器后，驅(qū)動器以符合APB 傳輸協(xié)議的方式將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)控制單元。同時計分板將數(shù)據(jù)代理器發(fā)送與監(jiān)測器（Monitor)接收的數(shù)據(jù)儲存在計分板內(nèi)部控制寄存器參考模型中，計分板將完成“寫入數(shù)據(jù)”與“讀出數(shù)據(jù)”的自動化比對，打印比對錯誤的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并完成錯誤數(shù)據(jù)數(shù)量的統(tǒng)計，以此來驗證控制寄存器寫入、讀出數(shù)據(jù)的準確性。

圖3 控制寄存器功能的驗證流程

時鐘以及復(fù)位信號的驗證方法如圖4 所示。通過在驗證平臺插入斷言以及監(jiān)測器對接口信號進行監(jiān)測可以快速準確地定位系統(tǒng)控制單元時鐘、復(fù)位信號的錯誤。對于復(fù)位信號，斷言首先監(jiān)測輸入進系統(tǒng)控制單元的復(fù)位信號，隨后在IP 模塊使能復(fù)位后監(jiān)測該復(fù)位信號是否如預(yù)期變化，最后統(tǒng)計斷言失敗的數(shù)量，以此來驗證復(fù)位信號的正確性。而對于時鐘信號，監(jiān)測器保持對輸出時鐘信號的端口進行采樣，驗證平臺通過對仿真時間內(nèi)采樣到的時鐘信號邊沿數(shù)量和系統(tǒng)仿真時間進行計算，得出該輸出時鐘的頻率，并與計分板中預(yù)設(shè)的標準時鐘進行自動化比對并打印對比結(jié)果，由此來驗證時鐘信號的準確性。

2.3 驗證結(jié)果與分析

在驗證平臺中，APB 總線數(shù)據(jù)通過驅(qū)動器發(fā)送給待測設(shè)計，時鐘以及復(fù)位信號也是由驗證平臺輸入到系統(tǒng)控制單元，圖5 所示為在一隨機測試用例的驅(qū)動下系統(tǒng)控制單元的部分信號波形。

圖5 隨機測試下部分信號波形

圖5 所示波形為隨機數(shù)據(jù)測試用例，在APB 總線接口上采用地址隨機、數(shù)據(jù)隨機、讀寫隨機的測試方法，驗證平臺將隨機數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)控制單元，同時不斷比對控制寄存器輸入與輸出的“寫數(shù)據(jù)”、“讀數(shù)據(jù)”。對于輸入時鐘采用同一頻率，對應(yīng)的輸出時鐘信號受內(nèi)部控制寄存器控制，決定輸出時鐘信號或輸出低電平，復(fù)位信號也是受不斷被讀寫的控制寄存器決定拉高或者拉低。通過這樣的隨機測試對直接測試未涉及的代碼部分或功能進行測試驗證，可以提高驗證的完備性，加快了驗證項目的進度。

代碼覆蓋率是衡量驗證平臺測試進度的一個重要指標，包括分支覆蓋率、語句覆蓋率、翻轉(zhuǎn)覆蓋率、條件覆蓋率以及狀態(tài)機覆蓋率，通過代碼覆蓋率這一指標可以直觀地衡量模塊驗證的進度。系統(tǒng)控制單元的驗證以覆蓋率為驅(qū)動，保證了驗證的完備性。經(jīng)過各種直接測試與上述的隨機測試，同時去除掉涉及DFT 驗證和一些不影響設(shè)計、驗證結(jié)果的部分后，該系統(tǒng)控制單元的代碼覆蓋率達到100%，監(jiān)測復(fù)位信號的斷言覆蓋率也達到了100%，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制單元覆蓋率

在保證自動化打印的時鐘功能驗證、控制寄存器功能驗證結(jié)果正確以及斷言全部成功執(zhí)行的前提下，該驗證平臺完成了對系統(tǒng)控制單元充分的驗證，確定了該系統(tǒng)控制單元功能完備且準確，設(shè)計符合預(yù)期。

3 結(jié)論

以系統(tǒng)控制單元模塊的驗證為核心，介紹了SoC 系統(tǒng)控制單元的架構(gòu)與功能，同時建立了層次化的驗證平臺，采用基于覆蓋率驅(qū)動和斷言的隨機化驗證方法完成對該系統(tǒng)控制單元功能點的分類分層次驗證。相較于傳統(tǒng)驗證平臺，憑借驗證組件的高度模組化和以覆蓋率驅(qū)動、隨機化驗證的策略，該驗證平臺不僅可以移植應(yīng)用于同一數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的不同類模塊驗證，提高了驗證平臺的復(fù)用性，還保證了待測設(shè)計的驗證完備性和較高的驗證效率，為SoC 系統(tǒng)模塊的驗證提供參考。