一種基于UVM的網絡協議報文發包器

王瀟楓

（南京郵電大學，江蘇南京 210023）

0.引言

隨著超大規模集成電路功能的日趨豐富，尤其在當前的熱點方向如5G、AI、工業4.0等，更高性能、更快速度、更多功能、更低功耗成為芯片設計制造商的追求目標。隨之而來對于驗證工作的挑戰在不斷增大，驗證的工作量已經占到整個SOC研發的70%左右，因此提高芯片驗證工作的效率也成為了研發流程中的重要一環[1]。作為以太網芯片中必不可少的功能點，報文解析及處理是驗證對象中不可或缺的重要組成部分。而對于報文解析及處理的驗證工作，網絡協議報文發包器是必不可少的驗證組件，它作為驗證用例激勵的約束與生成組件，是用例能精確覆蓋各功能點的基礎與核心。一個全面且實用的發包器組件不僅能實現對各協議字段的約束、報文的生成和封裝，同時也能具備對協議報文字段的解析功能。除此之外，優秀的驗證組件還要具備良好的復用性與即插即用的特點，即不需要配合驗證平臺結構做組件結構上的修改，能簡潔高效地運用于仿真場景構建中。

1.UVM方法學

針對傳統RTL（寄存器傳輸級）驗證平臺重用性差、自動化程度低等缺陷，Accellera標準組織采用OVM為標準，在此基礎之上推出了新一代的基于系統及硬件描述語言System Verilog的通用驗證方法學UVM，并于2011年推出了UVM的正式版本。UVM完全繼承了OVM，同時采納了VMM中的RAL、Callback機制等，為驗證工程師建立了一套基于面向對象思想的System Verilog語言標準組件庫，提高了驗證環境的重用性與靈活性[2]。

如圖1所示，UVM采用樹形結構構建自頂向下的驗證平臺。各結點按照既定層次關系實現驗證平臺的整體功能[3]，具體組件包含：

圖1 UVM樹形結構圖

（1）Driver：是驗證平臺最基本的組件以及數據流的源泉，將激勵驅動至RTL邏輯；本設計中，他將實現將發包器生成的激勵按約束封裝成數據流驅動至DUT引腳或內部接口；（2）Sequencer：是Driver與Sequence間溝通的仲裁方，實現transaction的傳遞；（3）Monitor：監測DUT的行為及信號變化；（4）Scoreboard：比對Monitor采樣的DUT輸出結果與Reference Model模擬的預期輸出；（5）Reference Model：完成與DUT相同的功能設計并輸出結果與DUT輸出相比較；（6）Agent：將處理相同協議的driver與monitor封裝為更高一層的抽象組件[4]，便于驗證平臺的復用性與環境管理；（7）Env：引入容器類概念，將Agent例化于Env中，并實現各Agent中組件的通信鏈接；針對不同驗證層次使用不同的容器類Env，增加了驗證平臺的復用性，便于驗證工作的管理與平臺維護。

2.發包器設計

發包器設計結構圖2所示。

圖2 發包器設計結構圖

2.1 發包器層次結構

基于UVM自頂向下層次邏輯，發包器由3大組成部分構成——報文生成組件frame_tools、流量控制組件flow_tools、相關工具算法組件svlib。

2.1.1 Frame_tools

Frame_tools組件包含了兩大基類：

（1）frame_tools_item。發包器核心基類，由該類中定義的parse、generate函數實現報文字段解析與數據流生成，其包含了frame_tools_head與frame_tools_payload兩大子類。

frame_tools_head為報文首部類，其包含了L2層協議首部類frame_tools_head_l2_ethernet、frame_tools_head_l2_llc、frame_tools_head_l2_llc_snap，并通過自定義枚舉類型frame_tools_protocol_t引導L2層首部使用何種協議格式。由此向內遞進，在L2層各協議首部類中，包含了L3層協議首部類frame_tools_head_l3_ipv4、frame_tools_head_l3_ipv6、frame_tools_head_l3_pppoe等，并通過自定義枚舉類型frame_tools_protocol_t引導L3層首部使用何種協議格式。在L3層中衍生出L4層首部協議字段，由此生成報文首部字段。

而frame_tools_payload為報文負載字段類，其包含負載內容子類frame_tools_payload_value，以及報文信息子類frame_tools_payload_info。負載內容子類frame_tools_payload_value可以依據自定義枚舉類型frame_tools_payload_value_mode_e的約束生成遞增、遞減、隨機、規定值字節序列；報文信息子類中包含數據流號、port號、報文id以及fcs校驗位。

headlib中存放了自uvm_sequence_item派生的L2至L4各種協議報文首部字段類。若需根據自定義協議構建新首部格式，需要在headlib中放入自定義首部字段類的System Verilog文件，并針對對應類型的報文，在frame_tools_head_defines文件中增添對應報文類型名稱的frame_tools_protocol_t類枚舉元素。而frame_tools_head_defines文件中不僅定義了枚舉類型frame_tools_protocol_t，還封裝了多層次各種不同類型報文的宏定義，根據不同類型協議約束各種報文各層次首部字段的protocol_next指針，以實現由L2向L3、L4的幀首部字段嵌套。這些宏定義將在發包器調用時約束報文類型，并指導各字段的內容的封裝。

（2）frame_tools_sequence。該sequence采用參數化定義方式，由本發包器設計中frame_tools_sequence_defines文件封裝于宏中，在該文件內，由宏定義實現了發包器的調用方式，以宏FRAME_TOOLS_SEQ_BASE_BEGIN、FRAME_TOOLS_SEQ_BASE_END限定了發包器sequence生成框架，同時宏FRAME_TOOLS_SEQ_BASE_BEGIN在調用時將傳入sequence定義所需參數seq_name、總數據流數stream_total、sequence推送時間drop_us。同時還定義了參數化類frame_tools_sequence_lib，此類由frame_tools_sequence_library.svh文件中定義的frame_tools_sequence_library類派生，該類定義了一些對sequence的操作與綁定task。

宏FRAME_TOOLS_SEQ_BASE_BEGIN內調用數據流啟動宏FRAME_TOOLS_SEQ_STREAM_DO。該宏內封裝了數據流控制宏FRAME_TOOLS_SEQ_STREAM_BEGIN，其調用 flow_tools中流量啟動函數starting并傳入發包數量pkt_num參數，并啟動`uvm_create函數實例化transaction；調用FRAME_TOOLS_SEQ_STREAM_END宏，通過例化的frame_tools_item類中的generat函數生成數據流queue。調用 flow_tools中流控函數check_credit并將item中報文長度傳入其中，以調整幀間隔，實現流量控制，而后啟動`uvm_send函數將sequence發出，最后調用 flow_tools中停止函數stopping結束流量監控。

2.1.2 Flow_tools

（1） flow_tools_monitor。包含 starting()，stopping()兩個控制task。starting()中例化一monitor process，調用速率計算函數rate_calculate()可計算周期流量及整體流量，并可以實時打印出流量數據；stopping()中關閉monitor process。（2） flow_tools_driver。該driver同樣包含starting()，stopping()2個控制task。starting()中例化一drive process，調用rate_calculate()函數做時鐘周期性計數，并配合credit_add()函數累計。累計參數供check_credit()函數實時檢查，由frame_tools在sequence生成完后調用，以調整幀間隔。

2.1.3 Svlib

Svlib中包含math_lib、pack_lib。其中math_lib中定義了報文生成中所需的例如CRC-32算法的計算函數；pack_lib中則定義了一些例如bit位倒序、多字節對齊等函數。

2.2 使用方法

在使用該發包器生成報文時首先需在用例中調用宏FRAME_TOOLS_SEQ_BASE_BEGIN、FRAME_TOOLS_SEQ_BASE_END以生成發包器整體框架，并輸入數據流參數seq_name、總數據流數stream_total、sequence推送時間drop_us。其次，需根據數據流數以及對數據流的定制化約束，調用數據流控制宏FRAME_TOOLS_SEQ_STREAM_DO，傳入發包數量pkt_num，并由上文中對head_defines文件的介紹，調用報文類型宏定義，以約束報文類型，并根據其類型填寫各字段內容。

3.結語

在驗證領域，高效性和復用性是評判一個組件實用程度的重要指標。本文提出的基于UVM的網絡協議報文發包器，從使用靈活度以及可定制化程度均體現了高效、可復用性，能夠對網絡數據報文解析與處理功能的驗證起到較好的輔助作用，提高驗證效率。