系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證 - 資深工程師FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)精華匯總

　　做邏輯的難點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證

　　剛?cè)ス镜臅r(shí)候BOSS就和我講，做邏輯的難點(diǎn)不在于RTL級(jí)代碼的設(shè)計(jì)，而在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證方面。目前國(guó)內(nèi)對(duì)可綜合的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的比較多，而對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證方面似乎還沒有什么資料，這或許也從一個(gè)側(cè)面反映了國(guó)內(nèi)目前的設(shè)計(jì)水平還比較低下吧。以前在學(xué)校的時(shí)候，總是覺得將RTL級(jí)代碼做好就行了，仿真驗(yàn)證只是形式而已，所以對(duì)HDL的行為描述方面的語(yǔ)法不屑一顧，對(duì)testbench也一直不愿意去學(xué)--因?yàn)橛X得畫波形圖方便；對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更是一點(diǎn)都不懂了。到了公司接觸了些東西才發(fā)現(xiàn)完全不是這樣。

　　其實(shí)在國(guó)外，花在仿真驗(yàn)證上的時(shí)間和人力大概是花在RTL級(jí)代碼上的兩倍，現(xiàn)在仿真驗(yàn)證才是百萬門級(jí)芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵路徑。仿真驗(yàn)證的難點(diǎn)主要在于怎么建模才能完全和準(zhǔn)確地去驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性（主要是提高代碼覆蓋），在這過程中，驗(yàn)證速度也是很重要的。

　　驗(yàn)證說白了也就是怎么產(chǎn)生足夠覆蓋率的激勵(lì)源，然后怎么去檢測(cè)錯(cuò)誤。我個(gè)人認(rèn)為，在仿真驗(yàn)證中，最基本就是要做到驗(yàn)證的自動(dòng)化。這也是為什么我們要寫testbench的原因。在我現(xiàn)在的一個(gè)設(shè)計(jì)中，每次跑仿真都要一個(gè)小時(shí)左右（這其實(shí)算小設(shè)計(jì)）由于畫波形圖無法做到驗(yàn)證自動(dòng)化，如果用通過畫波形圖來仿真的話，一是畫波形會(huì)畫死（特別是對(duì)于算法復(fù)雜的、輸入呈統(tǒng)計(jì)分布的設(shè)計(jì)），二是看波形圖要看死，三是檢錯(cuò)率幾乎為零。那么怎么做到自動(dòng)化呢？我個(gè)人的水平還很有限，只能簡(jiǎn)單地談下BFM（bus function model，總線功能模型）。

　　以做一個(gè)MAC的core為例（背板是PCI總線），那么我們需要一個(gè)MAC_BFM和PCI_BFM及PCI_BM（PCI behavior model）。MAC_BFM的主要功能是產(chǎn)生以太網(wǎng)幀（激勵(lì)源），隨機(jī)的長(zhǎng)度和幀頭，內(nèi)容也是隨機(jī)的，在發(fā)送的同時(shí)也將其復(fù)制一份到PCI_BM中；PCI_BFM的功能則是仿PCI總線的行為，比如被測(cè)收到了一個(gè)正確幀后會(huì)向PCI總線發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，PCI_BFM則會(huì)去響應(yīng)它，并將數(shù)據(jù)收進(jìn)來；PCI_BM的主要功能是將MAC_BFM發(fā)送出來的東西與PCI_BFM接收到的東西做比較，由于它具有了MAC_BFM的發(fā)送信息和PCI_BFM的接收信息，只要設(shè)計(jì)合理，它總是可以自動(dòng)地、完全地去測(cè)試被測(cè)是否工作正常，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。 華為在仿真驗(yàn)證方面估計(jì)在國(guó)內(nèi)來說是做的比較好的，他們已建立起了比較好的驗(yàn)證平臺(tái)，大部分與通信有關(guān)的BFM都做好了，聽我朋友說，現(xiàn)在他們只需要將被測(cè)放在測(cè)試平臺(tái)中，并配置好參數(shù)，就可以自動(dòng)地檢測(cè)被測(cè)功能的正確與否。

　　在功能仿真做完后，由于我們做在是FPGA的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)基本保證RTL級(jí)代碼在綜合結(jié)果和功能仿真結(jié)果的一致性，只要綜合布局布線后的靜態(tài)時(shí)序報(bào)告沒有違反時(shí)序約束的警告，就可以下到板子上去調(diào)試了。事實(shí)上，在華為中興，他們做FPGA的設(shè)計(jì)時(shí)也是不做時(shí)序仿真的，因?yàn)樽鰰r(shí)序仿真很花時(shí)間，且效果也不見得比看靜態(tài)時(shí)序分析報(bào)告好。

　　當(dāng)然了，如果是ASIC的設(shè)計(jì)話，它們的仿真驗(yàn)證的工作量要大一些，在涉及到多時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)時(shí)，一般還是做后仿的。不過在做后仿之前，也一般會(huì)先用形式驗(yàn)證工具和通過靜態(tài)時(shí)序分序報(bào)告去查看有沒有違反設(shè)計(jì)要求的地方，這樣做了之后，后仿的工作量可以小很多。

　　在HDL語(yǔ)言方面，國(guó)內(nèi)語(yǔ)言很多人都在爭(zhēng)論VHDL和verilog哪個(gè)好，其實(shí)我個(gè)人認(rèn)為這并沒有多大的意義，外面的大公司基本上都是用verilog在做RTL級(jí)的代碼，所以還是建議大家盡量學(xué)verilog。在仿真方面，由于VHDL在行為級(jí)建模方面弱于verilog，用VHDL做仿真模型的很少，當(dāng)然也不是說verilog就好，其實(shí)verilog在復(fù)雜的行為級(jí)建模方面的能力也是有限的，比如目前它還不支持?jǐn)?shù)組。在一些復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)中，需要高級(jí)語(yǔ)言做抽象才能描述出行為級(jí)模型。在國(guó)外，仿真建模很多都是用System C和E語(yǔ)言，用verilog的都算是很落后的了，國(guó)內(nèi)華為的驗(yàn)證平臺(tái)好像是用System C寫。

　　在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由于我做的設(shè)計(jì)還不夠大，還談不上什么經(jīng)驗(yàn)，只是覺得必須要具備一些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的知識(shí)才行。劃分的首要依據(jù)是功能，之后是選擇合適的，總線結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和處理器架構(gòu)，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分要使各部分功能模塊清晰，易于實(shí)現(xiàn)。這一部分我想過段時(shí)間有一點(diǎn)體會(huì)了再和大家分享，就先不誤導(dǎo)大家了。

　　最后簡(jiǎn)單說一下體會(huì)吧，歸結(jié)起來就多實(shí)踐、多思考、多問。實(shí)踐出真知，看100遍別人的方案不如自己去實(shí)踐一下。實(shí)踐的動(dòng)力一方面來自興趣，一方面來自壓力，我個(gè)人覺得后者更重要。有需求會(huì)容易形成壓力，也就是說最好能在實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)中鍛煉，而不是為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)。在實(shí)踐的過程中要多思考，多想想問題出現(xiàn)的原因，問題解決后要多問幾個(gè)為什么，這也是經(jīng)驗(yàn)積累的過程，如果有寫項(xiàng)目日志的習(xí)慣更好，把問題及原因、解決的辦法都寫進(jìn)去。最后還要多問，遇到問題思索后還得不到解決就要問了，畢竟個(gè)人的力量是有限的，問同學(xué)同事，問搜索引擎，問網(wǎng)友，都可以，一篇文章、朋友們的點(diǎn)撥都可能幫助自己快速解決問題。