oC開發(fā)來說,巨大的掩膜制造成本要求首次流片取得成功。急劇增加的驗證復雜度與日益縮短的上市時間也敦促業(yè)界尋找更加有效和自動化的驗證方法。
形式驗證(FV)的自動化就是以上問題的一種可行解決方案。作為成熟的偽隨機驗證技術的補充,FV讓驗證工程師(或設計師)能夠對電路的特定部分進行詳盡的驗證。本文將討論OCP等總線協(xié)議的自動化形式驗證。
屬性的概念
為了對任意IP進行形式驗證,設計師或驗證工程師必需從該IP的規(guī)范中提取各種屬性。每一種屬性描述了該IP的一個或多個特點。最好是先提取高層的系統(tǒng)屬性,因為這些屬性每個都涵蓋了該IP的一組特點。低層的屬性接近RTL,因此往往被證明用處不大。
設計師提取出的每一種屬性均可以被形式驗證工具(例如Cadence的Incisive Formal Verifier)用作斷言(檢查)或假設(環(huán)境約束)。大多數(shù)時候,假設被施加到待測設計(DUT)的輸入端,斷言則被施加于DUT的輸出端。例如在OCP協(xié)議中有一個屬性,它規(guī)定應答狀態(tài)只能在出現(xiàn)相應的請求狀態(tài)之后啟動。在驗證帶OCP從接口的IP(見圖1)時,該屬性就被用作斷言(檢查),因為應答狀態(tài)是該IP的一個輸出。
圖1:驗證帶OCP從接口的IP。
OCP協(xié)議的形式驗證
在驗證帶一個或一個以上OCP接口的IP時,理論上只需簡單地提取其OCP屬性,并對其進行形式上的檢驗即可,但實際情況并非如此。形式驗證中最困難的部分在于OCP規(guī)范的復雜性。OCP接口極強的可配置性讓我們能夠創(chuàng)建一個十分靈活的系統(tǒng),但同時也加大了驗證的負擔。確定一組合適的OCP屬性非常重要,因為OCP屬性的錯誤選擇可能導致一些邊界情況被遺漏,從而使驗證出現(xiàn)漏洞。
很明顯,要求為所有可能的OCP配置確定一組完整的OCP屬性列表。OCP-IP組織很早就認識到這一需求。為此,OCP-IP功能驗證工作小組(FVWG)創(chuàng)建了一個OCP-IP一致性計劃(OCP-IP compliance plan)。該計劃對所有OCP屬性進行了定義,同時也大致描述了每一個屬性應由哪些配置參數(shù)激活。同樣,在OCP接口配置的基礎上,只有相關的一組子屬性可以被識別和證實。更全面的描述請參考OCP-IP 2.2規(guī)范中的第13、14和15章。
OCP VIP庫
今天的許多高性能SoC(例如德州儀器公司的OMAP多媒體應用處理器)都是基于OCP的。在使用時,幾個主要器件或主要子系統(tǒng)通過基于OCP的連接與多個從器件(外設和存儲器等)相連,見圖2。
圖2:利用基于OCP的互連實現(xiàn)的內核底層規(guī)劃。
為了盡可能減少所有這些OCP接口的驗證工作量,幾家EDA廠商決定創(chuàng)建一個OCP VIP庫。這個庫(見圖3左側)中包含了OCP一致性計劃中定義的所有屬性,其代碼通常是由一個或多個專業(yè)驗證工程師采用PSL/SVA+輔助VHDL/Verilog語言編寫的。這種代碼編寫是一次性工作。
圖3:廠商提供的庫與OCP驗證環(huán)境的相互作用。
為了選擇一組適合某個特定OCP接口的子屬性,可以用一個腳本對OCP配置文件(即IP_)進行解析。最終被選出的一組屬性可被形式驗證工具用作斷言或假設。
這個VIP庫中還包含了很大的一組cover。這組cover可以檢測出過份約束的環(huán)境,因此特別重要。此外,cover還能幫助檢測到虛警狀態(tài)(即沒有滿足條件時出現(xiàn)的斷言),從而可以避免出現(xiàn)無意義的錯誤。
最后,不要低估開發(fā)一套魯棒性協(xié)議VIP的重要性。盡管OCP-IP定義屬性的工作做得不錯,但在實現(xiàn)時仍可能出現(xiàn)大量問題(例如PCL、輔助Verilog甚至屬性子集選擇解析器中的錯誤)。這些問題直接表明一個庫必需經過嚴格測試,在測試階段,該庫被應用于具有不同配置的多個IP。大型EDA廠商通常很適合這一工作,因為他們往往擁有很大的內部IP回歸數(shù)據(jù)庫。通常要配合工業(yè)客戶進行詳盡的測試才能完成整個測試過程。
TI提供的一些OCP VIP經驗
圖4:Cadence的OCP協(xié)議VIP集成到TI的設計中。
如圖4所示,在TI法國公司的無線終端業(yè)務部門(WTBU),我們可以輕松將Cadence的OCP協(xié)議VIP集成到我們內部的設計流程中。從下圖可以看出,必須要定義的(模板)文件只有:
·.f: 用于驅動IFV
·.tcl:用于初始化電路
·.psl:用于對非OCP的主要輸入(如復位、測試和電源管理)建模
而用戶只需要:
·調用一個Makefile目標對RTL進行分析和詳細描述
·調用一個Makefile目標來解析IP_并獲取正確的子集
·編輯模板文件(.f/.tcl/.psl)
·最后利用IFV執(zhí)行形式驗證,以檢驗OCP的一致性
為了讓讀者對驗證流程的簡單性與有效性有一個大致的了解,請看以下例子。工程師在驗證一個帶基本從OCP接口的IP時平均要用30分鐘到1個小時的時間。其中大部分時間都用于編寫設置主要輸入約束的PSL模板文件。需要注意的是,這是100%徹底驗證的結果。更加傳統(tǒng)的偽隨機仿真環(huán)境則要求將OCP eVC實例化,編寫隨機測試用例,最重要的是對功能覆蓋率進行嚴格定義。由于功能覆蓋的定義存在一些差異,因此動態(tài)回歸在OCP接口驗證時很可能會遺漏一些邊界條件。我們發(fā)現(xiàn)在許多模塊的動態(tài)仿真中常被遺漏的邊界條件是,在OCP傳輸仍未完成時IP就經歷軟件復位情況下的OCP接口行為。此外,在具備多個OCP接口的模塊中,如果一個接口用于配置模塊,另一個用于傳輸實際數(shù)據(jù)流,那么在采用基于偽隨機的仿真方法時也容易出錯和留下缺陷。最后一個同時也很難找到的缺陷是FSM死鎖,這種缺陷用形式驗證的方式比用偽隨機仿真的方式更容易發(fā)現(xiàn)。
我們在多個無線OMAP項目中采用了OCP VIP方法,每個項目中約有50個IP,每個IP具備一個或一個以上的OCP接口。結果我們發(fā)現(xiàn)的問題涵蓋了從難以發(fā)現(xiàn)的邊界條件到結構性缺陷很大的范圍。
利用協(xié)議VIP進行較高層特性的形式驗證
一個IP通常包含:一個clk & rst接口、一個電源管理(PM)接口、一個用于配置其內部寄存器的接口,以及一個或多個用于與外界(串行協(xié)議或存儲器)通信的功能總線。
對于SoC中常用的標準協(xié)議來說,很可能存在相應的協(xié)議VIP(OCP,AXI,AHB)。而對于一些內部協(xié)議而言,相應的VIP(例如電源管理)也是可以開發(fā)的。通過使用這些VIP(見圖5),驗證工程師既獲得了“自由”環(huán)境,也得到了“自由”的低層協(xié)議檢查。
5:協(xié)議VIP可以改善驗證環(huán)境。
在此基礎上,工程師又可以編寫更高層次的系統(tǒng)屬性。最佳情況下,系統(tǒng)級的屬性甚至無需對遺漏的接口(func1 & func2)進行建模就能得到驗證。這時的驗證更加抽象,因為它是在約束不足的環(huán)境下進行的。但如果反例顯示出現(xiàn)了有效的違例情況,那么就必須對剩下的接口進行建模。
我們開發(fā)的一些最常用的高層屬性例子包括:
·通過橋接進行分組轉換
·存儲器和緩存的一致性
·性能和延遲屬性
·數(shù)據(jù)完整性(該屬性不是很適合形式驗證但仍值得一試)
本文小結
采用VIP進行自動化形式協(xié)議驗證能使關鍵IP接口得到快速詳盡的驗證。VIP庫在編寫和測試之后可用于改善驗證質量并縮短驗證時間。由于最后的VIP提供了一個“自由”的環(huán)境,因而還能用于簡化高層系統(tǒng)性能的驗證。
作者:Jeroen Vliegen
WTBU部門形式驗證工程師
TI法國公司
