利用APB_I2C模塊搭建層次化驗(yàn)證平臺(tái)

一、前言

近期疫情嚴(yán)重，身為社畜的我只能在家中繼續(xù)鉆研技術(shù)了。之前寫過一篇關(guān)于搭建FIFO驗(yàn)證平臺(tái)的博文，利用SV的OOP特性對(duì)FIFO進(jìn)行初步驗(yàn)證，但有很多不足之處，比如結(jié)構(gòu)不夠規(guī)范、驗(yàn)證組件類不獨(dú)立于DUT等問題。此次嘗試驗(yàn)證更復(fù)雜的IP，并利用SV的更多高級(jí)特性來搭建層次化驗(yàn)證平臺(tái)。

二、APB_I2C IP概述

實(shí)踐出真知，于是在opencores網(wǎng)站上下載了個(gè)APB_I2C的IP核，便著手展開驗(yàn)證工作。第一步是理清楚這個(gè)IP的整體功能、引腳作用以及頂層結(jié)構(gòu)。整體功能從模塊名稱便可得知是帶有APB總線接口的I2C_master。要了解引腳作用與時(shí)序，直接截取SPEC上的示意圖查看：

APB_WRITE:

APB_READ:

I2C_PROTOCOL:

接口和協(xié)議這里就不細(xì)說了，感興趣的朋友查找相關(guān)的資料。至于頂層結(jié)構(gòu)這方面，最好還是交給工具方便點(diǎn)。無奈回家沒有帶回我的虛擬機(jī)硬盤，只能下載個(gè)WINDOW版本的EDA工具了。本文使用QuestaSim，原理圖如下：

很容易看出該模塊頂層包含APB接口模塊APB、分別用于緩存發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的FIFO_TX和FIFO_RX，以及I2C協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊I2X_INTERNAL_RX_TX。master通過APB總線訪問該IP核內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩存區(qū)和配置寄存器，無需關(guān)注內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

除了這幾個(gè)方面，配置寄存器的訪問也非常重要。IP核必須做出正確的配置和使能才可以按照需要正常工作。配置寄存器見下表：

三、QuestaSim常用指令

QuestaSim工具的WINDOWS/LINUX版本很容易下載到，和Modelsim的主要區(qū)別是對(duì)SV UVM的支持性較好，這一點(diǎn)非常符合本文的意愿。但仿真過程中一次次點(diǎn)擊鼠標(biāo)很麻煩，只好學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)操作命令了，寫個(gè)腳本配合SV實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化仿真。以下是在官方文檔user manual和tutorial中截取的常用指令及解釋。

1 Compile the source files. vloggates.v and2.v cache.v memory.v proc.v set.v top.v

2 Use thevoptcommand to optimize the design with full visibility into all design units

vopt +acc -o -debugdb

The+accargument enables full visibility into the design for debugging purposes. The-oargument is required for naming the optimized design object. The-debugdbargument collects combinatorial and sequential logic data into the work library.

3 Use the optimized design name to load the design with thevsimcommand: vsim testcounter_opt -debugdb

4set WildcardFilter "Variable Constant Generic Parameter SpecParam Memory Assertion Endpoint ImmediateAssert" With this command, youremove “CellInternal”from the default list of Wildcard filters. This allows all signals in cells to be logged by the simulator so they will be visible in the debug environment.

5Add Wave*

6add log /*

This will provide the historic values of the events of interest plus its drivers

7 run 500

四、搭建驗(yàn)證環(huán)境

這一節(jié)是本文的核心內(nèi)容了。通用的驗(yàn)證環(huán)境的結(jié)構(gòu)和組件如圖：

Stimulus將測(cè)試激勵(lì)送入待測(cè)試模塊DUT，Monitor觀察響應(yīng)并發(fā)送給檢Checker。遇到復(fù)雜的設(shè)計(jì)還需要設(shè)計(jì)Reference model，進(jìn)而對(duì)比實(shí)際響應(yīng)與黃金參考的響應(yīng)區(qū)別。并且當(dāng)Monitor無法簡(jiǎn)單直接地收集DUT響應(yīng)時(shí)，還需要設(shè)計(jì)VIP來解析復(fù)雜的響應(yīng)信號(hào)時(shí)序。這幾天參照工具書和網(wǎng)上的教程視頻，根據(jù)APB_I2C模塊的特性構(gòu)思出基本的驗(yàn)證環(huán)境。

APB_I2C模塊并不復(fù)雜，所以沒必要設(shè)計(jì)reference model。若想利用Monitor組件獲取DUT響應(yīng)需要解析I2C協(xié)議時(shí)序，這里編寫個(gè)VIP來幫助它解析出有效數(shù)據(jù)，進(jìn)而與Stimulus數(shù)據(jù)對(duì)比。Monitor因VIP的存在得到了很大程度上的簡(jiǎn)化，主要的功能為將等待觸發(fā)事件發(fā)生后，將數(shù)據(jù)通過MAILBOX傳輸給Checker進(jìn)行比較。

另外，為了讓Stimulus脫離具體接口信號(hào)操作，建立Generator和Initiator類分別用于產(chǎn)生讀寫訪問和將讀寫訪問轉(zhuǎn)換成讀寫操作對(duì)應(yīng)的具體信號(hào)邏輯。為了實(shí)現(xiàn)OOP特性中的“細(xì)節(jié)隱藏”，建立配置類Config來配置驗(yàn)證環(huán)境，這里主要是配置Generator發(fā)送特定場(chǎng)景的讀寫請(qǐng)求。想要測(cè)試不同的功能特性，只需改動(dòng)傳入Config的參數(shù)即可。到此驗(yàn)證環(huán)境包含了Generator Initiator Monitor Checker Config五個(gè)驗(yàn)證組件，這里再建立Environment類將這些組件包在一起，方便調(diào)用方法。還是上圖更直觀些（有點(diǎn)丑，湊活看吧）

除了驗(yàn)證環(huán)境結(jié)構(gòu)，好的代碼結(jié)構(gòu)也能極大提高平臺(tái)的重用性。這里將所有類及對(duì)應(yīng)的屬性方法封裝到Package components中，方便被import到testbench中。驗(yàn)證過程中用到的所有變量類型、參數(shù)放置在defines.sv中。

五、仿真分析

當(dāng)Config類對(duì)象的配置參數(shù)為CONFIG_WR_DATA時(shí)，generator發(fā)起寫請(qǐng)求。波形如下：

觀察打印的Log可以看出每個(gè)SCL時(shí)鐘周期采集到一個(gè)bit，MAILBOX正確傳輸，checker對(duì)比正確，故而仿真PASS。

驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)該模塊有很多BUG??！這里舉兩個(gè)例子。

1 SDA為雙向端口，但當(dāng)sda_enable為0時(shí)，并沒有賦值為高阻態(tài)，即釋放信號(hào)線控制權(quán)給slave。做出如下修改并讓VIP在ACK階段拉低SDA。

2 SCL在讀操作狀態(tài)機(jī)中沒有被toggle，因此config的配置參數(shù)為CONFIG_RD_DATA時(shí)SCL沒有翻轉(zhuǎn)。在讀操作狀態(tài)機(jī)中添加翻轉(zhuǎn)邏輯，使BR_CLK_RX_O信號(hào)在counter_receive_data == clk_t_1_4時(shí)拉高，counter_receive_data==clk_t_3_4時(shí)拉低。

波形顯示在讀操作時(shí)SCL正常翻轉(zhuǎn)。

該模塊的讀操作很多地方不正確還有待修改，就不一一贅述了。總的來說就是根本不能用o(╥﹏╥)o 不抱希望了，之后我還是自己寫一個(gè)吧。

六、總結(jié)

本文利用APB_I2C模塊為例搭建了層次化驗(yàn)證平臺(tái)，但還有待改善。這里列出幾點(diǎn)：

1 沒有完全做到測(cè)試用例與環(huán)境分離

2 沒有構(gòu)建場(chǎng)景層給予豐富的pattern