多級(jí)調(diào)試方法的硬件仿真

芯片設(shè)計(jì)調(diào)試是一門困難的學(xué)科，而片上系統(tǒng) （SoC） 設(shè)計(jì)則更是如此。這就像眾所周知的大海撈針。對(duì)于 SoC 設(shè)計(jì)，它是兩個(gè)大海撈針，一個(gè)用于軟件，另一個(gè)用于硬件。軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)常將集體矛頭指向硬件團(tuán)隊(duì)，聲稱這是一個(gè)硬件錯(cuò)誤，而硬件團(tuán)隊(duì)則迅速回?fù)?，聲稱這是一個(gè)軟件錯(cuò)誤。如果沒(méi)有有效的驗(yàn)證工具來(lái)查明問(wèn)題，就很難知道誰(shuí)是對(duì)的。這就是硬件仿真的用武之地。

硬件仿真對(duì)于調(diào)試硬件和測(cè)試 SoC 設(shè)計(jì)中硬件和軟件的集成非常重要，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于第一個(gè)芯片。當(dāng)工程組的兩個(gè)不同部分（硬件設(shè)計(jì)師和軟件開(kāi)發(fā)人員）使用仿真時(shí)，他們能夠共享相同的系統(tǒng)和設(shè)計(jì)表示。SoC 設(shè)計(jì)的組合軟件和硬件視圖使它們能夠協(xié)同工作以調(diào)試硬件和軟件交互。

作為大多數(shù) SoC 驗(yàn)證流程的基礎(chǔ)，硬件仿真允許工程團(tuán)隊(duì)更有策略地進(jìn)行規(guī)劃并實(shí)施基于多個(gè)抽象級(jí)別的調(diào)試方法。工程團(tuán)隊(duì)不必彼此獨(dú)立地鉆進(jìn)兩個(gè)干草堆。相反，他們可以跨嵌入式軟件和底層硬件之間的邊界跟蹤錯(cuò)誤，以確定問(wèn)題出在軟件還是硬件上。

實(shí)現(xiàn)基于多個(gè)抽象級(jí)別的調(diào)試方法從最高級(jí)別的嵌入式軟件開(kāi)始，然后在抽象級(jí)別向下移動(dòng)以跟蹤各個(gè)硬件元素的行為。事實(shí)上，從包含數(shù)十億個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)始，軟件調(diào)試器可以將問(wèn)題定位到幾百萬(wàn)個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)。在這個(gè)級(jí)別，軟件開(kāi)發(fā)人員可以識(shí)別軟件代碼中的源代碼，或者他們的硬件設(shè)計(jì)同行可以使用軟件感知硬件調(diào)試方法來(lái)專注于較低的抽象級(jí)別。該方法要求通過(guò)硬件事務(wù)器實(shí)現(xiàn)監(jiān)視器、檢查器和斷言，以避免速度下降并幫助將問(wèn)題縮小到幾千個(gè)周期。

一旦審查了這兩個(gè)級(jí)別收集的數(shù)據(jù)，硬件仿真允許工程組向下移動(dòng)到信號(hào)級(jí)別。它可以通過(guò)所識(shí)別時(shí)間段的寄存器傳輸電平（RTL）波形分析信息，并追蹤其可能的來(lái)源。要么發(fā)現(xiàn)了硬件錯(cuò)誤，要么清除了硬件故障。如果是后者，它會(huì)迫使決定回到軟件環(huán)境。

導(dǎo)航多個(gè)級(jí)別的調(diào)試抽象

在不同的抽象級(jí)別之間導(dǎo)航——從軟件到硬件再到后面——避免了長(zhǎng)時(shí)間的模擬運(yùn)行和大量的詳細(xì)數(shù)據(jù)（圖 1）。

【圖1 | 硬件仿真為軟件和硬件調(diào)試提供了一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。］

軟件模擬器無(wú)法實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)試方法，因?yàn)樗鼈兲鵁o(wú)法有效執(zhí)行嵌入式軟件。實(shí)際上，它們將運(yùn)行數(shù)月來(lái)處理數(shù)十億個(gè)設(shè)計(jì)周期，這些設(shè)計(jì)的大小達(dá)到數(shù)億個(gè)專用集成電路 （ASIC） 等效門。對(duì)于消費(fèi)電子設(shè)備或任何其他電子設(shè)備的供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)不可接受的時(shí)間限制。

雖然仍然被廣泛使用，但在驗(yàn)證場(chǎng)景中推動(dòng)其成功的原始仿真風(fēng)格的在線仿真 （ICE） 模式現(xiàn)在在基于事務(wù)的驗(yàn)證中面臨著可行的替代方案。從概念上講，這個(gè)想法很簡(jiǎn)單。測(cè)試是在高級(jí)抽象上編寫的，從高級(jí)命令到位級(jí)信號(hào)的轉(zhuǎn)換從測(cè)試臺(tái)轉(zhuǎn)移到稱為事務(wù)器的專用實(shí)體中。通過(guò)將事務(wù)處理器映射到硬件仿真器上，與基于仿真的驗(yàn)證相比，可以輕松實(shí)現(xiàn) 5 或 6 個(gè)數(shù)量級(jí)的加速。

工程組使用事務(wù)處理程序來(lái)構(gòu)建虛擬測(cè)試環(huán)境，而不是 ICE 物理目標(biāo)系統(tǒng)，方法是用一組等效的事務(wù)處理程序替換一組基于 I/O 協(xié)議的速度適配器（圖 2）。

【圖2 | 一個(gè)完整的虛擬測(cè)試環(huán)境包括通過(guò)事務(wù)建模的所有 SoC 外圍接口。］

基于事務(wù)的加速簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)調(diào)試。通過(guò)完全控制并非由硬件測(cè)試臺(tái)提供的設(shè)計(jì)時(shí)鐘，調(diào)試變得更加容易和高效。通過(guò)控制時(shí)鐘頻率，可以停止仿真的被測(cè)設(shè)計(jì) （DUT） 模型、讀取其內(nèi)存內(nèi)容、強(qiáng)制某些寄存器或轉(zhuǎn)儲(chǔ)波形。

傳統(tǒng)上，在 ICE 環(huán)境中調(diào)試需要由來(lái)自目標(biāo)系統(tǒng)的不可控時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的硬件邏輯分析儀。該設(shè)置導(dǎo)致了不確定的行為并損害了調(diào)試 DUT 的能力。硬件仿真供應(yīng)商最近通過(guò)將其轉(zhuǎn)換為確定性行為的方法解決了 ICE 外圍設(shè)備的隨機(jī)行為。

多層次的協(xié)同驗(yàn)證視角

一旦軟件設(shè)計(jì)人員和硬件開(kāi)發(fā)人員使用硬件仿真體驗(yàn)了基于事務(wù)的驗(yàn)證，他們的整個(gè)驗(yàn)證視角就會(huì)發(fā)生變化。無(wú)需繁瑣的 ICE 硬件即可快速設(shè)置強(qiáng)大的測(cè)試環(huán)境的能力意味著更容易和更有效的調(diào)試。目標(biāo)可能是相同的——在更短的時(shí)間內(nèi)做出更好的設(shè)計(jì)——但現(xiàn)在的體驗(yàn)可能會(huì)變得不那么具有挑戰(zhàn)性。

工程團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代硬件仿真器是測(cè)試硬件和在 SoC 設(shè)計(jì)中集成硬件和軟件的必要條件。它使他們能夠更有策略地進(jìn)行規(guī)劃并成功實(shí)施硬件/軟件聯(lián)合驗(yàn)證。

審核編輯：郭婷