一種基于UVM的高層次化1394鏈路層驗證方法

魏美榮，田 澤，王宣明，郭 蒙

(1.航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

0 引 言

1394總線是一種高性能串行總線，鏈路層在串行總線節(jié)點系統(tǒng)中位于事務(wù)層、應(yīng)用層和物理層之間。鏈路層為事務(wù)層提供異步數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和確認(rèn)服務(wù)，為應(yīng)用層提供固定時間間隔的等時數(shù)據(jù)廣播傳輸服務(wù)。同時鏈路層提供尋址、數(shù)據(jù)檢查、發(fā)送數(shù)據(jù)組包和接收數(shù)據(jù)解包服務(wù)。

隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的規(guī)模和集成度在快速提升，這對驗證提出了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計表明，發(fā)現(xiàn)bug的時間與修復(fù)成本成指數(shù)關(guān)系，越早發(fā)現(xiàn)彌補的成本也會越低，因此，驗證已經(jīng)成為芯片設(shè)計的發(fā)展瓶頸。針對傳統(tǒng)RTL代碼驗證平臺重用性差、覆蓋率低和自動化程度低等問題，在吸取了OVM，VMM和ERM等驗證方法優(yōu)點的基礎(chǔ)上，三大EDA公司(Mentor、Candence和Synopsys)聯(lián)合業(yè)內(nèi)其他公司推出UVM(universal verification methodology)驗證方法學(xué)。UVM是基于系統(tǒng)級硬件描述語言SystemVerilog，具備面向?qū)ο缶幊痰乃枷牒凸δ躘1-3]，實現(xiàn)了驗證的重用性和清晰的層次結(jié)構(gòu)。由于其開源的特質(zhì)，使得它相比于其他的驗證方法學(xué)，具備更好的兼容性。UVM平臺的架構(gòu)主要是由通用的驗證組件(universal verification component，UVC)構(gòu)成的，而且每個UVC都是已經(jīng)封裝好、功能完善且可配置的驗證環(huán)境，可重用的驗證組件，約束隨機激勵產(chǎn)生、自動化的驗證平臺等特點，大大縮短了驗證時間[4-6]。

另外，相比于傳統(tǒng)的驗證平臺，斷言機制提供了簡潔的行為級代碼描述，能對設(shè)計的屬性進行實時性的檢測，仿真過程一旦報錯可迅速定位[7]。功能覆蓋率是用來衡量哪些設(shè)計特征已被測試程序測試過的一個指標(biāo)，評估驗證的結(jié)果[8]。覆蓋率有三類：代碼覆蓋率、功能覆蓋率和斷言覆蓋率。使用UVM提供的隨機測試激勵以及帶約束的隨機測試(constrained random test，CRT)方法可以覆蓋各種情況[9-10]，不用編寫定向的測試集，就可以達(dá)到盡可能高的覆蓋率。若還有未能覆蓋的邊界情況，可采用定向的測試激勵來進行測試[11]。

文中以1394鏈路層作為主要分析對象，重點從基于覆蓋率驅(qū)動的自動化驗證環(huán)境搭建、驗證流程、驗證平臺、隨機驗證激勵用例開發(fā)、覆蓋率統(tǒng)計結(jié)果分析等方面重點闡述。并經(jīng)過功能仿真測試和覆蓋率分析表明，采用基于UVM的驗證分層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)的事務(wù)層請求模型、數(shù)據(jù)包模型、鏈路層監(jiān)控模型，物理層模型等激勵序列具有繼承性和靈活的隨機約束性，可使驗證人員花費較少的精力實現(xiàn)重用原有的激勵場景而構(gòu)成新的激勵場景?；跀嘌院透采w率驅(qū)動的驗證理念，以可約束的隨機向量為主，對仿真結(jié)果進行覆蓋率統(tǒng)計和分析，并對隨機向量的約束進行修改或補充定向向量，保證驗證的完備性。

1 虛擬驗證策劃

在前端設(shè)計中，文中先對1394總線鏈路層系統(tǒng)功能進行分析，根據(jù)設(shè)計功能提取鏈路層驗證功能點，然后制定了相應(yīng)的驗證策略與方法，并詳細(xì)描述了該方法中的驗證環(huán)境、驗證流程、虛擬驗證平臺各組件功能以及工作原理。

1.1 系統(tǒng)功能分析

1394總線鏈路層是1394高性能串行總線的重要部分，實現(xiàn)了IEEE Std 1394-2008協(xié)議規(guī)定的1394b高性能串行總線的節(jié)點鏈路層功能，其邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要包含數(shù)據(jù)搬運(data mover)模塊、選擇控制模塊、異步發(fā)送FIFO模塊(asynchronous transmit FIFO，ATF)、通用接收FIFO(general receive FIFO，GRF)、微處理器接口(microcontroller interface)模塊、鏈路層核(link core)等功能模塊，實現(xiàn)的主要功能包括：

圖1 1394總線鏈路層結(jié)構(gòu)框圖

(a)負(fù)責(zé)在事務(wù)層和物理層之間傳遞異步、異步流和等時數(shù)據(jù)；

(b)提供標(biāo)準(zhǔn)的Alpha類型物理層-鏈路層接口，用于連接物理層；

(c)提供數(shù)據(jù)搬運接口(data mover)，支持異步流數(shù)據(jù)的收發(fā)，可通過寄存器訪問接口進行異步發(fā)送物理配置包和異步包，通過訪問GRF接收異步包和自標(biāo)識包；

(d)當(dāng)進行異步消息收發(fā)時，鏈路層將數(shù)據(jù)從事物層傳遞給物理層，或?qū)⑽锢韺咏邮盏降臄?shù)據(jù)傳遞給事物層，并負(fù)責(zé)添加數(shù)據(jù)CRC校驗；

(e)在等時通訊過程中，負(fù)責(zé)周期發(fā)送、接收cycle start包，用于同步總線各節(jié)點的等時周期，并保證等時消息通訊能夠正常進行。

1.2 驗證方法

文中采用UVM驗證系統(tǒng)架構(gòu)、基于功能覆蓋率驅(qū)動的驗證方法，從鏈路層系統(tǒng)級功能分析角度出發(fā)，制定出一套通用性強的1394總線鏈路層驗證實施方案。

1.2.1 驗證流程

文中將結(jié)合最新UVM驗證技術(shù)、統(tǒng)一覆蓋率的驗證管理技術(shù)，采用新型閉環(huán)的驗證流程[12]，如圖2所示。

圖2 驗證流程

實現(xiàn)對1394總線鏈路層功能驗證，具體過程如下：

(a)首先，根據(jù)1394總線鏈路層功能規(guī)范編寫驗證規(guī)范和驗證計劃，即列出需要驗證的關(guān)鍵功能特性、邊界情況和可能出現(xiàn)的故障模式。建立覆蓋率模型時，先根據(jù)上述的驗證規(guī)范，明確待驗證的功能點以及如何對這些數(shù)據(jù)采樣，然后構(gòu)建能夠自動統(tǒng)計功能覆蓋率的驗證平臺，定義覆蓋組(Covergroup)來統(tǒng)計和分析功能覆蓋率，確保每個設(shè)計需求都被實現(xiàn)、驗證且功能正確。下面以1394總線鏈路層寄存器訪問為例，設(shè)計的一個寄存器對象的功能覆蓋組代碼示例如下：

class host_coverage_monitor extends uvm_subscriber #(host_trans_item);

`uvm_component_utils(host_coverage_monitor)

host_trans_item analysis_txn;

covergroup host_cov;

option.per_instance =1;

ADDR: coverpoint analysis_txn.addr[5:1]{

bins VERSION_U ={6'h00};

bins VERSION_L ={6'h01};

………

}

OPCODE: coverpoint analysis_txn.wr {

bins write = {0};

bins read = {1};

}

RW_CROSS: cross ADDR,OPCODE;

endgroup

// Standard UVM Methods:

function new(string name = "host_coverage_monitor", uvm_component parent = null);

super.new(name, parent);

host_cov = new();

endfunction

extern function void write(T t);

extern function void report_phase(uvm_phase phase);

endclass: host_coverage_monitor

(b)其次，基于UVM方法學(xué)搭建驗證環(huán)境、開發(fā)驗證代碼、驗證管理功能，通過輸入測試計劃，即“產(chǎn)生的激勵”輸入到DUT(design under test)設(shè)計中，并且通過UVM內(nèi)部自帶的函數(shù)run_test()開啟UVM運行仿真，并將產(chǎn)生結(jié)果輸出，引入功能覆蓋率模型，對覆蓋率的結(jié)果進行分析，即將測試覆蓋率與測試對象聯(lián)系起來，從而為管理人員與工程師提供強大支持，使得持續(xù)不斷地跟蹤驗證進度和更為合理高效地配置資源成為可能。

(c)最后，經(jīng)過回歸測試、驗證結(jié)果和覆蓋率分析，如果驗證達(dá)不到要求，則需要反復(fù)迭代優(yōu)化驗證方案，完善或更改驗證計劃，通過UVM機制管理驗證平臺、再運行、再進行結(jié)果分析等，直到完成驗證激勵的開發(fā)調(diào)試，最終極大程度地實現(xiàn)1394總線鏈路層芯片驗證工作的收斂。

1.2.2 驗證平臺構(gòu)建

文中對不同的功能組件進行單獨設(shè)計，同時以UVM方法學(xué)為基礎(chǔ)，設(shè)計了如圖3所示的高層次化驗證平臺結(jié)構(gòu)。采用基于Systemverilog面向?qū)ο缶幊痰姆椒ň幋a實現(xiàn)，每一個組件用一個類(class)單獨實現(xiàn)，類中定義屬性(數(shù)據(jù))和屬性操作方法(包括任務(wù)和函數(shù))[13-15]。此驗證平臺的結(jié)構(gòu)可以分為三個部分：首先實例化鏈路層DUT，是用于平臺中與其他組件進行通信的接口；然后創(chuàng)建DUT外圍的驗證組件UVC，是一種可以重用的對應(yīng)于鏈路層外圍接口協(xié)議的IP模型，與頂層DUT之間具備通信接口，分別是微控制器寄存器訪問(Microcontroller Agent)、事務(wù)層數(shù)據(jù)搬運接口(Data_Mover Agent)、1394總線物理層模型(Phy model agent)、1394總線多節(jié)點的鏈路層模型(link node agent)；最后是基于UVM開發(fā)的測試激勵Test Suites、測試腳本等。

圖3 基于UVM的1394總線鏈路層虛擬平臺驗證架構(gòu)

文中搭建的驗證平臺是一個1394總線多節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，鏈路層DUT也是作為其中一個被測試節(jié)點，其中，Test Suites是由UVM的Sequence機制實現(xiàn)的一系列隨機測試激勵。各模塊Agent內(nèi)部Sequencer是激勵產(chǎn)生器，產(chǎn)生協(xié)議規(guī)定的寄存器訪問類型、不同類型包數(shù)據(jù)格式，Sequence通過Sequencer將Seq_item送到驅(qū)動器Driver，Driver通過虛接口virtual interface(vif)將事務(wù)級的數(shù)據(jù)按照信號層接口的時序要求轉(zhuǎn)換為DUT端的電信號，并驅(qū)動DUT來發(fā)送接收數(shù)據(jù)包。平臺中的Configuration模塊用于系統(tǒng)的配置，根據(jù)不同的配置，使驅(qū)動芯片外部管腳不同時序下激勵輸出和錯誤注入。各Agent內(nèi)部的Monitor進行數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，最后將放到Coverage和記分板Scoreboard中，通過記分板Scoreboard與行為級模型進行數(shù)據(jù)結(jié)果比較，通過UVM_report功能完成結(jié)果輸出。

在上述驗證平臺中各功能模型Agent的主要功能如下：

(a)Microcontroller Agent，模擬1394鏈路層主機訪問寄存器讀寫，和通過填寫內(nèi)部包頭、包中和包尾寄存器來實現(xiàn)TAF中異步包、異步流包、物理配置包的發(fā)送以及通過GRF接收異步包、自標(biāo)識包等數(shù)據(jù)包的接收；

(b)Data_Mover Agent，模擬事務(wù)層進行異步或等時通信模式下，數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收；

(c)Phy model Agent，和link node agent連接，模擬1394總線上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且提供1394總線物理層的協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)處理行為；

(d)link node agent，模擬1394總線協(xié)議規(guī)定的鏈路層協(xié)議處理行為；

(e)Test Suites，用于驗證的測試用例，是由UVM的sequence機制實現(xiàn)的一系列隨機測試激勵。測試用例均由uvm_test類派生而來，每個測試激勵都設(shè)置了默認(rèn)啟動的測試激勵，只需在命令行啟用這些測試用例。文中設(shè)計有3種類測試用例，分別是基本測試、隨機測試、注錯測試。其中，隨機激勵測試可以找出預(yù)料不到的錯誤，通過SystemVerilog語言對激勵進行隨機化和約束?；緶y試用例是根據(jù)需要產(chǎn)生特定要求的激勵，關(guān)注設(shè)計功能點本身。注錯測試用例通過帶約束的隨機激勵產(chǎn)生各種錯誤激勵，用于測試某些極限情況下可能出現(xiàn)的故障問題，檢測設(shè)計本身的處理錯誤能力；

(f)達(dá)到覆蓋各種情況，達(dá)到盡可能高的覆蓋率，從而完成驗證目標(biāo)。

上述各Agent模塊均具有獨立結(jié)構(gòu)，根據(jù)實際項目中1394總線節(jié)點通信個數(shù)，只需要通過實例化多個Phy model Agent、link node agent來實現(xiàn)可重用，達(dá)到快速構(gòu)建驗證平臺，便可以加快驗證流程。

文中根據(jù)制定1394總線鏈路層主要功能建立的測試用例如表1所示。

表1 測試向量

續(xù)表1

1.2.3 驗證環(huán)境

文中采用Metor Graphics公司提供的Questa作為功能仿真平臺，如圖4所示。利用其內(nèi)嵌斷言引擎、高性能約束求解，以及統(tǒng)一覆蓋率數(shù)據(jù)庫(UCDB)。斷言是對設(shè)計屬性的描述，采用斷言技術(shù)快速檢測到設(shè)計中潛藏的缺陷，如被檢測對象與預(yù)期檢測行為不一致，則上報斷言錯誤，并直接追溯源代碼中最原始的信號。通過UCDB管理并收集所有的覆蓋率數(shù)據(jù)：代碼覆蓋率、功能覆蓋率和斷言覆蓋率，并存儲在統(tǒng)一個數(shù)據(jù)庫中。驗證管理功能通過輸入測試計劃、并將測試覆蓋率與測試對象聯(lián)系起來，利用Questa提供的強大分析能力，將原始覆蓋率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹僮饕鬃R別的信息。

圖4 功能仿真平臺

在Linux運行環(huán)境QuestaSim功能仿真平臺，如表2所示，采用SystemVerilog、Makefile編程語言及腳本語言，將編譯、仿真、測試選擇、覆蓋率收集等功能設(shè)計為自動化流程。不同的測試模式下，切換外部測試模型的應(yīng)用場景，把外部的測試激勵輸入給1394總線鏈路層被測設(shè)計。

表2 1394鏈路層驗證環(huán)境

1.2.4 運行流程

基于UVM驗證方法學(xué)，驗證組件之間按照UVM的phase機制運行，即仿真器首先從平臺頂層TOP執(zhí)行，遇到特定函數(shù)run_test()后驗證平臺開始啟動，腳本運行時利用UVM_TESTCASE從命令行中尋找testcase名字并創(chuàng)建該測試case實例，以樹形結(jié)構(gòu)方式依次執(zhí)行case及其成員變量的build_phase,順序執(zhí)行UVM樹各個節(jié)點build_phase、connect_phase以及run_phase各階段，直到所有的phase執(zhí)行結(jié)束。

2 驗證與分析

使用上述描述的驗證平臺對鏈路層DUT進行功能驗證，以事務(wù)層數(shù)據(jù)搬運Data Mover接口的等時和異步模式通信仿真為例，采用上述規(guī)劃的測試激勵，運行UVM仿真平臺得到仿真結(jié)果波形，如圖5所示。圖中橢圓框出的部分為等時數(shù)據(jù)包的發(fā)送，長方形框出的部分為異步流數(shù)據(jù)包發(fā)送，圓角矩形框部分是等時數(shù)據(jù)包和異步流數(shù)據(jù)包的接收，可見該測試平臺能夠很好地模擬1394總線實際通信場景。仿真進行到Check_phase階段通過檢查Scoreboard的對比結(jié)果以及其他組件的結(jié)果是否出現(xiàn)違例，確認(rèn)沒有遺留的數(shù)據(jù)要處理，到Report_phase階段產(chǎn)生報告仿真結(jié)果，或者生成的log文件中的報告及斷言來檢測DUT的正確性[16-17]。同時，通過分析覆蓋率報告，不斷完善測試激勵，添加新的測試激勵，實現(xiàn)全面的功能驗證，將所有測試向量測試完畢后，進行回歸測試并進行覆蓋率統(tǒng)計，將輸出結(jié)果進行打印。如圖6所示，覆蓋率已達(dá)到100%，滿足鏈路層系統(tǒng)功能驗證的要求，證明了該驗證平臺測試激勵的完整性，達(dá)到了預(yù)期驗證目標(biāo)。

圖5 DM接口等時和異步流數(shù)據(jù)包收發(fā)通信仿真波形

3 結(jié)束語

文中針對1394總線鏈路層系統(tǒng)功能需求分析，制定了一套適用于鏈路層驗證的方法，構(gòu)建了能夠自動統(tǒng)計功能覆蓋率的驗證平臺，基于高級驗證方法學(xué)UVM的UVC實現(xiàn)了1394總線協(xié)議。采用monitor監(jiān)視收集數(shù)據(jù)，利用功能覆蓋率統(tǒng)計各驗證功能點，并能夠在Scoreboard上比較輸出結(jié)果。采用基于UVM的高層次的以覆蓋率驅(qū)動的驗證方法，實現(xiàn)了鏈路層功能驗證的100%的功能覆蓋率。能有效模擬鏈路層行為，極大地提高驗證效率，縮短驗證周期。