硬件仿真在嵌入式軟件和系統(tǒng)驗證中的應用

任何學科的設計——電子、機械、航空航天等——都始于一個規(guī)范，該規(guī)范捕捉最終產品應該做什么，并從根本上推動整個開發(fā)周期。在開發(fā)的早期階段，第一個任務使用規(guī)范來驗證正在開發(fā)的設計是否正常工作并且沒有錯誤。然后，當設計的所有部分都組裝成一個完整的系統(tǒng)時，第二個任務使用規(guī)范來確定系統(tǒng)是否也按照預期的方式運行。

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航空航天、機械

這兩個任務稱為設計驗證（任務 1）和設計驗證（任務 2）。有時，錯誤地，這兩個術語可以互換使用。雖然相似，但這兩項任務的目標卻截然不同。

驗證：我們構建的系統(tǒng)正確嗎？

驗證：我們是否在構建正確的系統(tǒng)？

在片上系統(tǒng) （SoC） 設計過程中，使用基于軟件的硬件描述語言 （HDL） 仿真方法進行設計驗證。相反，設計驗證是在實際使用環(huán)境中測試的整個系統(tǒng)的原型上進行的。

不幸的是，HDL 仿真執(zhí)行速度并沒有跟上設備的復雜性，盡管它具有所有優(yōu)點：易用性、靈活性和快速的設計迭代時間。當今的許多設計，例如具有 1，024 個端口的互聯(lián)網(wǎng)路由器或高清視頻處理器，都需要大量的驗證序列，即使在最快的 PC 上模擬也需要很多年。這些序列源于運行長的、連續(xù)的串行協(xié)議流或處理復雜的嵌入式軟件以全面驗證 SoC 或系統(tǒng)設計的需要。

此外，近年來，在硅可用之前開始軟件驗證已變得很重要。為了實現(xiàn)這一目標，引入了一種稱為虛擬原型的新型方法。雖然其中一些工具已經(jīng)實現(xiàn)了啟動軟件開發(fā)的目標，但它們只處理不需要準確表示底層硬件的應用程序。在測試嵌入式軟件（例如固件、設備驅動程序、操作系統(tǒng)和診斷程序）的交互時，它們會出現(xiàn)不足。對于此測試，嵌入式軟件開發(fā)人員依靠準確的硬件模型來驗證他們的代碼。

相比之下，硬件設計人員需要一套相當完整的軟件來在系統(tǒng)驗證期間全面測試他們的 SoC。古老的基于 FPGA 電路板的系統(tǒng)原型設計方法提供了設計的準確表示，但不太適合硬件調試。因此，只要設計適合少數(shù) FPGA，F(xiàn)PGA 原型對軟件開發(fā)團隊的吸引力就更大。

最終，軟件和硬件組需要在一個通用模型上走到一起，以驗證完整的硬件和嵌入式軟件。對于大多數(shù)使用傳統(tǒng)開發(fā)周期的人來說，第一個完整的模型是實際的硅片（圖 1）。

【圖1 | 在傳統(tǒng)的開發(fā)周期中，第一個完整的模型是硅。］

等待實際硅片的問題在于它在設計周期中為時已晚。由于嵌入式軟件無法在完整、準確的系統(tǒng)模型的上下文中得到充分驗證，直到硅片，所以在硅片中發(fā)現(xiàn)問題的可能性增加。它們可以在軟件或軟件和硬件中找到，通常會迫使額外的芯片重新設計和代碼修訂。重新設計和代碼修訂都具有成本和上市時間的影響。避免這些影響所需要的是一種提供統(tǒng)一解決方案的方法，以在第一塊芯片之前實現(xiàn)硬件/軟件驗證和確認。

最新一代的硬件仿真器實現(xiàn)了這一點。它們提供幾乎無限的容量，多達數(shù)十億個門，并以 1 兆赫或更多兆赫的速度驗證被測設計 （DUT），提供比 FPGA 原型系統(tǒng)更好的硬件調試。它們易于使用，可以更快地編譯 DUT，并允許從世界任何地方進行 24/7 遠程訪問。在仿真器上運行的新軟件應用程序使其能夠支持多種類型的驗證，從低功耗分析和驗證到測試設計 （DFT） 邏輯驗證。仿真器還為從網(wǎng)絡到處理器/圖形、存儲等各種細分市場帶來了獨特的技術。

在設計周期的早期，仿真器用于與仿真器和 SystemVerilog 進行協(xié)同仿真，以在組裝完整的 SoC 設計之前驗證知識產權 （IP） 模塊和子系統(tǒng)。在設計周期的后期，仿真器用于驗證整個系統(tǒng)并執(zhí)行嵌入式軟件驗證。

它們在相同的設計表示上為硬件和軟件工程師提供完整的硬件和軟件調試功能。這讓硬件和軟件開發(fā)團隊能夠以前所未有的方式協(xié)作并修復集成問題（圖 2）。

【圖2 | 最新一代的硬件仿真器顯著加快了開發(fā)周期。］

硬件仿真以前僅限于驗證超大型設計，如今已成為所有設計驗證和確認流程的基礎。這種新發(fā)現(xiàn)的流行是日益增長的硅復雜性和嵌入式軟件的廣泛使用的結果。在設計中心，硬件仿真被使用，并且在未來它將在從硬件驗證、硬件/軟件集成到嵌入式軟件和系統(tǒng)驗證的整個開發(fā)周期中使用得更多。

審核編輯：郭婷