波形系統(tǒng)三大關(guān)鍵點解析

在芯片功能驗證中，仿真波形一直是調(diào)試的重要手段。通過觀測分析波形，工程師可以推斷代碼是否正常運行，電路的功能是否正確，設(shè)計是否滿足預(yù)期。波形解決了芯片驗證調(diào)試中可觀測性的問題，雖然單獨依賴觀測波形不足以解決調(diào)試的所有問題，但是波形是一個最基本的手段。很多FPGA和硬件設(shè)計工程師都將仿真波形看作是硬件調(diào)試的示波器或者邏輯分析儀。

數(shù)字電路中的波形通常由四值邏輯表示，包括：1 - 高電平，0 - 低電平， X - 不定態(tài)，Z - 高阻態(tài)。

當然，為了降低復(fù)雜度，有些仿真系統(tǒng)簡單地忽略不定態(tài)和高阻態(tài)，僅使用二值邏輯表示。波形系統(tǒng)就是將仿真數(shù)據(jù)通過可視化的方式顯示出來。高級波形系統(tǒng)需要更多功能，包括對協(xié)議事務(wù)級(protocol transaction)，混合信號(mixed signals)，文本輸入輸出(File I/O)等功能的顯示。目前的大部分EDA廠商工具，都將波形系統(tǒng)都嵌入在各個仿真器和調(diào)試工具中，成為緊密結(jié)合的一部分。

業(yè)界的有多種波形格式，除了VCD是一個公開的標準格式之外，其他商業(yè)性質(zhì)的各具特點，在性能和功能上各有優(yōu)缺點。目前業(yè)界最普遍使用的是C2工具，它具有非常高效的數(shù)據(jù)壓縮率，用戶界面也非常友好，但是在大型設(shè)計上數(shù)據(jù)加載還是稍慢，底層優(yōu)化有待進一步改進。C1工具操作性稍顯復(fù)雜，人機界面的易用性還有很大的提升空間。B工具中規(guī)中矩，它和A工具在數(shù)據(jù)壓縮率上都不能和C2工具相比。下列表格列出各自的一些特性。

波形系統(tǒng)在芯片驗證中至關(guān)重要，設(shè)計驗證工程師在使用波形調(diào)試的時候，對EDA工具有很高的期待，也提出了很多具體的要求。本文將探討波形系統(tǒng)的三個關(guān)鍵技術(shù)，通過這些具體的技術(shù)細節(jié)理解，工程師可以深入的了解波形系統(tǒng)的性能和易用性，以便將來選擇工具時做出更好的判斷。

一個IP可能包含著數(shù)千萬個的信號，這些信號隨時間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是巨大的。如果在波形系統(tǒng)中不對數(shù)據(jù)進行有效的壓縮，而只是簡單的隨時間來記錄波形數(shù)據(jù)，這樣最終的數(shù)據(jù)量將是巨大的。即便在目前磁盤價格日益下降的今天，這樣的數(shù)據(jù)量對于一個復(fù)雜IP或者SOC的調(diào)試來說，這種大量的磁盤空間積聚也是無法接受的。一個巨大的波形不僅僅對磁盤空間產(chǎn)生各種挑戰(zhàn)，最大的問題還在于當調(diào)試器調(diào)用這些數(shù)據(jù)的效率。

業(yè)界比較通用的波形開放標準是基于VCD （Value Change Dump）格式的，這個格式是基于IEEE1364標準的，也就是VerilogHDL標準中定義的一個用文本方式存儲波形的數(shù)據(jù)格式。這種格式主要是記錄波形的名稱，對應(yīng)數(shù)值變化的時間點，和數(shù)值變化量。他的最核心的思想是只在Value change（VC）的時候做數(shù)據(jù)和時間點記錄，而在沒有VC時候不做任何記錄。

由于它不用記錄每個時間點的波形數(shù)值，從某種意義上來說也有一定的數(shù)據(jù)壓縮效果。但即便如此，在一個復(fù)雜IP中產(chǎn)生的VCD文件尺寸也可能超過幾百GB，由于是文本數(shù)據(jù)格式，工具在讀取文件索引數(shù)據(jù)上效率也不高，因此，在大型設(shè)計中利用VCD做波形調(diào)試，會遇到很多性能瓶頸。

各大EDA商業(yè)公司都有自己的波形格式。雖然具體的標準都是私有的，但大致都是基于數(shù)據(jù)庫的方式來存儲和管理波形數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)不僅僅是存儲，還會進一步地壓縮和優(yōu)化，以便減少磁盤開銷，并讓工具更有效地讀取和管理數(shù)據(jù)。由于波形是調(diào)試的重要工具，各大EDA廠家都有針對波形的壓縮技術(shù)，對調(diào)試器的圖形波形界面都做了優(yōu)化，方便用戶的使用，最大程度提高調(diào)試的效率。然而，除了關(guān)鍵的壓縮技術(shù)之外，對工具來說還有一個重要的特性就是內(nèi)存管理技術(shù)。

一個調(diào)試工具的內(nèi)存管理技術(shù)決定了這個工具的可用性和易用性。在當下大量數(shù)據(jù)交互的仿真技術(shù)領(lǐng)域，優(yōu)秀的內(nèi)存管理技術(shù)對工具而言至關(guān)重要。簡單的來說，內(nèi)存管理就是工具需要數(shù)據(jù)放置在磁盤或者內(nèi)存中尋求一個平衡點，或最優(yōu)化的比率。

過多的數(shù)據(jù)放在磁盤，每次工具在加載波形時候會非常緩慢；過量的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存，會造成內(nèi)存爆炸，讓整個服務(wù)器運行緩慢，從而也導致效率和用戶體驗下降。

有個笑話，說某工程經(jīng)理特別要求工程師必須在中午12點開始加載波形調(diào)試，加載過程中內(nèi)存基本耗盡，服務(wù)器無法做其他事情，吃完午飯午休后，工具完成波形加載，工程師就可以看波形開始調(diào)試工作了，這樣就可避免時間浪費。這個笑話雖然經(jīng)不起仔細推敲，但是它反映了某些工具在內(nèi)存管理上的缺陷和不足，會導致嚴重的性能問題和降低用戶體驗。無論如何，一款好的調(diào)試工具都要解決或者避免這些問題。

除了上述提到的底層核心技術(shù)以外，對于波形工具技術(shù)本身來說，它必須具備幾個關(guān)鍵應(yīng)用層面技術(shù)：仿真器的高效配合，以及場景級（scenario）和事務(wù)級（transaction) 操作類型的表示。雖然波形非常直觀地反映了設(shè)計內(nèi)部的信號變化，但是設(shè)計本身是RTL，而且是信號間有相互關(guān)聯(lián)，因此調(diào)試不能僅僅依賴于觀測波形，很多時候工程師需要仿真器的配合讓調(diào)試變得更加有效。

RTL和測試平臺（testbenches）在運行后，其實本身很類似通用軟件代碼運行過程，很多工程師在觀測波形變化的時候也希望能了解代碼的執(zhí)行情況；同樣在代碼調(diào)試的過程中，很多時候需要理解代碼的執(zhí)行過程和相對應(yīng)的信號變化。這個時候?qū)Ψ抡嫫鞯膯尾絼討B(tài)調(diào)試可以配合波形變化，工程師可以直觀的了解某段代碼的執(zhí)行過程和信號變化。這種類似軟件單步調(diào)試的方式也是芯片驗證中常用的手段之一。

信號驅(qū)動追蹤（signal driver tracing）是一種常用的調(diào)試技術(shù)，它通過某個信號查詢它的驅(qū)動源頭。當用戶在波形界面上發(fā)現(xiàn)信號在某個時刻出現(xiàn)問題后，用戶可以追蹤這個信號的驅(qū)動源，這樣調(diào)試類似結(jié)果到原因（effect and cause）推導過程，大大加強了調(diào)試的有效性。通常信號的源頭可能不是單一而是多個，用戶可以選擇在波形界面來觀測多個源頭，也可以通過仿真器和調(diào)試器的配合來選擇使用代碼或者電路圖（schematic）方式進行觀測。這種信號溯源技術(shù)需要仿真器和調(diào)試工具的有機結(jié)合，底層也需要高效數(shù)據(jù)庫的支持。

事務(wù)級視圖（Transaction Viewer）。在復(fù)雜設(shè)計中大量的信號里厘清數(shù)據(jù)真實含義是非常困難的，用戶往往需要參考幾十個信號的量的變化來確定數(shù)據(jù)類型和操作。例如，一個AXI協(xié)議的讀寫操作涉及到的信號可能有20多個。完成一次讀寫需要用戶在一段時間內(nèi)觀測大量信號的變化，這種操作效率低下，不利于長時間的調(diào)試過程。Transaction viewer可在圖形界面提供更高層次的視角，讓用戶直觀地了解這些transaction的數(shù)據(jù)類型和定義，而不需要再從底層信號分析數(shù)據(jù)。有了這個工具，用戶可以快速分析調(diào)試數(shù)據(jù)，包括enum type, class based transaction, sequence item等等。當然，要實現(xiàn)一個transaction可視化，還是需要仿真器配合，以及代碼的一些額外工作，比如使用驗證IP （VIP），或者使用SystemVerilog等高級建模語言描述。

波形工具和其他的驗證工具不一樣，它是一個頻繁和用戶交互的圖形界面，這些交互體現(xiàn)在用戶的鼠標鍵盤操作和對圖形長時間的肉眼觀測；和大多商業(yè)軟件或者移動App一樣，這個工具需要用戶長時間操作和交互，用戶體驗成為了波形工具至關(guān)重要的一個因素。用戶體驗通俗來說就是工具的流暢度和易用性。加載波形的速度，波形窗口縮放的響應(yīng)，代碼和波形相互對應(yīng)(cross-probing)，波形比較與合并等，都可以看成是工具的流暢度的體現(xiàn)。

工具的流暢度，除了工具自身的優(yōu)化，主要還取決于上面談到的數(shù)據(jù)壓縮和內(nèi)存管理的優(yōu)化。一個好的波形工具應(yīng)該能讓工程師很快上手操作，而不需要花費時間學習或培訓。簡單的功能可以快速地通過菜單選項實現(xiàn)，復(fù)雜的功能也可以開放數(shù)據(jù)接口，讓用戶編程操作。

上述談到的幾點其實都是相互關(guān)聯(lián)的。優(yōu)秀的性能可以保證工具的流暢度，而調(diào)試的效率也有助于提升工具的用戶體驗。波形系統(tǒng)只是仿真調(diào)試工具中的一個部分，調(diào)試工具還有很多很多其他的核心技術(shù)，比如代碼和電路圖調(diào)試等。但是觀測波形是驗證工程師最常用的一種手段，作者希望通過介紹波形系統(tǒng)中的一些基本技術(shù)讓用戶將來選擇工具時更加有針對性。同時也希望驗證工程師能利用好工具，提升工作效率。