分層驗證法在基于AMBA系統(tǒng)中的應(yīng)用

在基于AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture，先進(jìn)的微控制器總線體系結(jié)構(gòu))的系統(tǒng)中，用戶設(shè)計的模塊和第三方IP模塊與AMBA AHB(Advanced High-performance Bus)和AMBA APB(Advance Peripheral Bus)總線相連，如圖1所示。分層驗證方法能夠跨越總線邊界應(yīng)用于AHB和APB兩種總線系統(tǒng)。同樣的方法還可以用于多層設(shè)計以及新的先進(jìn)可擴展接口(Advanced eXtensible Interface，AXI)。下面主要討論與AHB連接的用戶設(shè)計的模塊。
驗證環(huán)境目標(biāo)：
* 支持單一模塊級組件驗證；
* 支持子系統(tǒng)組件集成和子系統(tǒng)驗證；
* 支持全系統(tǒng)范圍的集成和全系統(tǒng)驗證；
* 全面改善覆蓋范圍；
* 提供第三方IP模塊的快速集成。
驗證環(huán)境本身也應(yīng)是可升級的，以便在后續(xù)的驗證項目重用。

分層驗證
為了完成既定目標(biāo)，需要一種分層的方法驗證。分層法用于單個模塊級驗證以及子系統(tǒng)級和全系統(tǒng)級驗證。每一層測試都建立在其它層之上，因此從層與層之間的轉(zhuǎn)移只需做很少的工作。每一層的測試可在后續(xù)的層或新的驗證項目中重用。
將系統(tǒng)分為三層(見圖2)，第一層的測試目標(biāo)是接口協(xié)議的驗證。第二、三層的目標(biāo)是用真實數(shù)據(jù)流驗證專用邏輯。
第一層
第一層的目標(biāo)是測試物理總線接口，確保其不違反總線協(xié)議。接口必須遵守在這部分定義的AMBA AHB或APB協(xié)議。第一層測試是一組直接測試，它確保所有不同的總線周期都能被正確執(zhí)行。每一項測試都創(chuàng)建成檢查總線協(xié)議的專門區(qū)域。所有的基本事務(wù)都被測試后，就可以進(jìn)入第二層。
第二層
第二層的目標(biāo)是產(chǎn)生一個事務(wù)序列，不僅重點測試總線接口邏輯，而且還要測試專用邏輯。第二層測試產(chǎn)生真實設(shè)計數(shù)據(jù)流。為了完全實現(xiàn)第二層目標(biāo)，在驗證環(huán)境中必須引入條件隨機技術(shù)(constrained random techniques)。
用條件隨機技術(shù)實現(xiàn)第二層目標(biāo)的主要益處是很容易完成第一個測試。用幾個簡單的功能命令，就能產(chǎn)生總線周期。高位總線周期和功能區(qū)完成也很快，并且還能發(fā)現(xiàn)更多的難點。將更多的運用統(tǒng)計概念而非僅用直接測試。這種條件隨機環(huán)境能夠從少量的基準(zhǔn)測試碼中產(chǎn)生大量的激勵。由于對設(shè)計需求是有條件的，因此仿真周期不會因疏忽而浪費在子系統(tǒng)中無關(guān)緊要的部分。條件隨機數(shù)據(jù)流將使驗證著重針對設(shè)計模塊而非直接測試。實際的數(shù)據(jù)流將完全測試模塊專用邏輯，在某種意義上，更接近物理硅的情況。
條件隨機激勵應(yīng)用于簡單的AMBA AHB周期，也即條件隨機事務(wù)(CRT)功能(見圖3)，可以簡單而迅速地產(chǎn)生擴展周期。對于一個給定的AHB事務(wù)，傳輸類型、地址、大小和脈沖類型都是有條件的。
例如，AHB主機能產(chǎn)生一個大小和脈沖寬度都可變的讀寫周期。在這個周期中，讀操作占10%，寫操作占70%，空閑狀態(tài)占20%。用傳統(tǒng)的HDL語言是很難描述的。
一個完整的條件隨機環(huán)境定義為一組事務(wù)，上面是序列層，中間是選擇層，最后是事務(wù)條件層。有效載荷反饋進(jìn)系統(tǒng)中，形成一個自激的激勵信號發(fā)生器。單個事務(wù)綜合到一起形成一個序列，多組序列綜合到一起形成一個選擇，多個選擇產(chǎn)生廣泛的事務(wù)周期和響應(yīng)。
第三層：專用測試
第三層的測試用于提高設(shè)計穩(wěn)定性。所有部件都將工作起來，包括系統(tǒng)和應(yīng)用引導(dǎo)序列。在這一層檢查軟件與軟件的接口，測試最終API和驅(qū)動，以及更重要的系統(tǒng)性能。至此，一個完整的層次關(guān)系被確定下來。第三層測試目標(biāo)是單個模塊或系統(tǒng)的高級功能。第三層還有一個特點，即能夠發(fā)現(xiàn)錯誤(bug)。而傳統(tǒng)的方法只能在實驗室里，產(chǎn)品在投入應(yīng)用的過程中才會發(fā)現(xiàn)。
層目標(biāo)
第一層的目標(biāo)是測試模塊的接口，第二、三層的目標(biāo)不僅測試接口，更重要的是測試模塊專用邏輯(見圖4)。測試時的所有訪問都通過AMBA總線。層被應(yīng)用于設(shè)計驗證處理的每一級，從模塊級驗證，到子系統(tǒng)，到最終的全系統(tǒng)驗證。

用分層驗證方法進(jìn)行模塊級驗證
在基于AMBA系統(tǒng)構(gòu)建之前，每一個模塊都必須進(jìn)行功能測試。每一個模塊都在獨立的環(huán)境中驗證，并且在每一層都要進(jìn)行測試。這就是子系統(tǒng)綜合前的設(shè)計，它是為了發(fā)現(xiàn)基本功能性錯誤。在這一級，基準(zhǔn)測試序列既可以用傳統(tǒng)的硬件描述語言如VHDL或Vrilog編寫，也可以用硬件驗證語言如OpenVera編寫。OpenVera在設(shè)計時就考慮到易于創(chuàng)建基準(zhǔn)測試序列，并且在構(gòu)建時考慮到便于運用象Synopsys Vera一樣的工具進(jìn)行自動驗證，因此很容易完成驗證任務(wù)。
在模塊級驗證階段，第一層測試檢查模塊能否經(jīng)由定義的AMBA接口被訪問。在子系統(tǒng)集成開始前，模塊必須符合AMBA協(xié)議要求。所有總線周期必須被檢查以確保模塊與AMBA系統(tǒng)中的其它模塊連接時正確運行。在最短時間內(nèi)和最大程度上完成這項工作的最好方法就是用驗證IP，如Synopsys的DesignWare驗證IP，驅(qū)動用戶邏輯模塊。
AHB主機驗證IP用于產(chǎn)生直接讀寫測試，它將全面檢查用戶模塊的AHB總線接口(見圖5)。有一個監(jiān)控器用于檢查是否違反AMBA協(xié)議，并捕捉總線周期的各種信息。監(jiān)控器可以讓驗證工程師知道總線接口已經(jīng)測試了多少。在第一層，若用直接測試的方法實現(xiàn)100%總線測試是不太可能的。而實際上，第一層的目標(biāo)就是100%的總線周期或事務(wù)范圍測試。這個目標(biāo)確保模塊在最短時間內(nèi)響應(yīng)絕大多數(shù)AMBA周期。
為了實現(xiàn)更廣泛的功能范圍，第一層的測試環(huán)境能迅速擴展到支持第二層測試。在第二層要用更多的真實總線數(shù)據(jù)流測試模塊功能。為了完全實現(xiàn)第二層目標(biāo)，必須應(yīng)用條件隨機技術(shù)。在第二層產(chǎn)生隨機數(shù)據(jù)流是很重要的，因為它特別強調(diào)總線操作，能揭示那些被忽視的情況。用直接測試完成這件事情，不僅需要大量的時間，而且并不能仿真真正的AMBA環(huán)境。這些事務(wù)序列開始測試用戶模塊的專用功能。
用更完全的形式測試用戶模塊就是進(jìn)行大量的AMBA訪問，同時檢查模塊到模塊的數(shù)據(jù)完整性。還應(yīng)該產(chǎn)生一些事務(wù)序列，檢查用戶模塊處在更完全系統(tǒng)中的功能。
當(dāng)?shù)谝粚訙y試與AMBA協(xié)議一致時，它在第二層仍然有效。第二層測試將產(chǎn)生更全面的AMBA AHB協(xié)議。在條件隨機激勵作用下，測試將接近100%總線事務(wù)目標(biāo)。
同樣的方法可以建立第三層專用測試。創(chuàng)建一個測試，模擬實際的應(yīng)用功能，如高速緩存接入、DMA傳輸和器件引導(dǎo)配置。引導(dǎo)和應(yīng)用配置時唯一的限制因素是仿真周期和時鐘時間本身。在第三層用傳統(tǒng)的全功能CPU模式測試將需要數(shù)百萬個時鐘周期。用AHB主機驗證IP方式則會減少時鐘周期，并使測試很容易管理。第三層測試的整體優(yōu)勢是模塊接近最終的應(yīng)用形式。例如，在引導(dǎo)過程中測試寄存器負(fù)載能徹底清除在引導(dǎo)中可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的功能錯誤。

用分層驗證方法進(jìn)行子系統(tǒng)級驗證
當(dāng)單個模塊全部驗證完成后，它們就可以集成到子系統(tǒng)環(huán)境中。每一級與模塊級驗證中的一樣，應(yīng)用于子系統(tǒng)環(huán)境中。每一層的驗證目標(biāo)也是一樣的，例如第一層的協(xié)議檢查，第二層的事務(wù)序列產(chǎn)生，第三層的專用測試。將每一個模塊組合到子系統(tǒng)中，測試的不僅是單個模塊，還包括子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身。
子系統(tǒng)包括實際的數(shù)據(jù)流發(fā)生器，如PCI、USB和物理存儲器以及存儲器控制模塊。圖6中第三方IP模塊是已經(jīng)發(fā)布的可配置預(yù)驗證IP。預(yù)驗證IP模塊并不需要單獨的模塊級驗證，因為IP提供者已經(jīng)完成這項工作，但是它在子系統(tǒng)中還是應(yīng)驗證其與其它模塊的連接關(guān)系。
第一層測試檢查子系統(tǒng)是否正確連接，是否違反AMBA協(xié)議。在第一層中為模塊級驗證任務(wù)創(chuàng)建的測試可以在子系統(tǒng)驗證中重用。在檢查子系統(tǒng)協(xié)議時，測試修改很方便，就像檢查子系統(tǒng)中的單一單元一樣。
第二層的模塊級條件隨機處理也可以重用。在子系統(tǒng)中，測試的產(chǎn)生是執(zhí)行同樣的AHB主機條件隨機任務(wù)。增加的AHB主機，如新增加的PCI和USB模塊承擔(dān)著最多的創(chuàng)建總線數(shù)據(jù)流的任務(wù)。這些模塊就是DesignWare驗證IP，因此在第一次測試前只須花很少的時間。條件隨機技術(shù)應(yīng)該用于這些實際的數(shù)據(jù)流發(fā)生器，就象它應(yīng)用于模塊級測試中的AHB主機一樣。這個子系統(tǒng)驗證環(huán)境很快將產(chǎn)生大量的設(shè)計數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將全面測試每個模塊的接口和所有應(yīng)用。
再次驗證在這一級是很重要的。因為所驗證的設(shè)計越來越大，實現(xiàn)目標(biāo)變得越來越困難。在子系統(tǒng)級，直接測試幾乎是不可能的，即使是最簡單的AMBA子系統(tǒng)，也要激勵所有可能的系統(tǒng)配置。條件隨機事務(wù)產(chǎn)生是唯一的方法，只有它能產(chǎn)生足夠的子系統(tǒng)測試來完成整個目標(biāo)。
子系統(tǒng)級是工程師第一個設(shè)置監(jiān)控器的地方，因此可以了解用戶模塊與其它子系統(tǒng)組件的相互連接關(guān)系，發(fā)現(xiàn)接口邏輯和專用邏輯中的錯誤。第二和第三層的測試能迅速發(fā)現(xiàn)錯誤。第一層協(xié)議只注意協(xié)議規(guī)則，第二、三層測試檢查所有子系統(tǒng)組件工作正確與否。
第三層專用測試工作在模塊級，也可以在子系統(tǒng)內(nèi)擴展到多個組件。例如通過測試PCI和存儲器控制IP的配置，查看PCI接口數(shù)據(jù)傳輸情況和外部存儲器數(shù)據(jù)存儲情況。開始和末端的數(shù)據(jù)映像用于驗證數(shù)據(jù)是否被存放在正確的地址里。這種測試還特別注重總線結(jié)構(gòu)和仲裁邏輯。

最終系統(tǒng)級驗證
在系統(tǒng)級仍然可以用分層的方法，但是現(xiàn)在相當(dāng)多的驗證負(fù)擔(dān)要由實際的系統(tǒng)級組件承擔(dān)。已經(jīng)存在的來自子系統(tǒng)驗證環(huán)境的第一、二和三層測試都可以在正確創(chuàng)立的系統(tǒng)環(huán)境中重用。
在系統(tǒng)級中，已預(yù)驗證的第三方IP模塊可被用來建造一個完整的系統(tǒng)?？芍赜肐P模塊減少了創(chuàng)建系統(tǒng)環(huán)境的工作量，從而讓設(shè)計者將更多的時間集中到核心組件上。
在系統(tǒng)級，驗證目標(biāo)是檢查為專門應(yīng)用而設(shè)計的整個系統(tǒng)?？偩€協(xié)議的驗證不僅要做，更需要注意的是高一級的應(yīng)用測試。在系統(tǒng)級，實際的應(yīng)用軟件用于測試。這個軟件運行在全功能軟件模型上，而不是低級別的AHB主機模型上。
運行實際應(yīng)用編碼的優(yōu)點是創(chuàng)建一個與真實系統(tǒng)盡可能接近的環(huán)境。缺點是當(dāng)執(zhí)行軟件編碼時很難控制總線周期。編碼不能產(chǎn)生測試所有總線事務(wù)協(xié)議的一整套總線周期，這是系統(tǒng)級環(huán)境中重新運行第一、二層測試的重要原因。第三層測試模擬引導(dǎo)序列和全系統(tǒng)配置。
在系統(tǒng)級仿真環(huán)境中運行的測試軟件都應(yīng)在實際的硅級上再運行，以驗證其功能。實際硅級的操作都應(yīng)在系統(tǒng)級仿真中再現(xiàn)，以方便調(diào)試。