嵌入式系统芯片的软硬件协同仿真环境设计

摘要：针对嵌入式系统芯片SoC开发验证阶段的需求，介绍了一种通用的SoC软硬件协同仿真平台。软件仿真由C／C++和汇编语言编写，硬件仿真基于VMM验证方法学所搭建，SoC设计代码由RTL代码编写而成。将SoC设计代码中的ARM由DSM模型替代，通过VCS编译器将软硬件协同起来进行信息交互，实现一种速度快、真实性高、调试方便的通用性仿真平台。
关键词：协同仿真；DSM模型；验证方法学；片上系统

1 概述
    随着微电子产业日新月异的发展，IC设计的规模越来越大，集成度越来越高，已经足以将一套完整的系统集成到一块小小的芯片中。在这种形势下，SoC技术应运而生。随着IP核复用技术的出现，SoC芯片的设计已经不再是很大的难题，SoC芯片的验证已逐渐取代芯片设计成为芯片开发阶段的瓶颈。现阶段SoC芯片设计的正确性要经过前仿真、后仿真以及FPGA验证来保证。前仿真包括单元验证、集成验证和系统验证，后仿真包括带反标时序SDF的网表仿真，其中系统验证和后仿真都需要关注SoC芯片的全局功能，这就涉及SoC的软件仿真和硬件仿真的协同问题。本文以DSM模型替代ARM核，以VMM验证方法学和VCS仿真器为基础，搭建一个可重用性高、调试和定位问题方便、仿真真实性高、软件和硬件能够很好配合的协同验证平台。

    软硬件协同仿真架构如图1所示，协同验证分软件验证环境和硬件验证环境两部分。软件代码通常由C／C++和汇编语言混合编写而成，然后由软件编译器转换成二进制格式，最后将该二进制文件加载到SoC芯片的存储器中去，芯片boot启动时由ARM核调用软件代码并执行；硬件环境基于VMM验证方法学进行搭建，下文中会有详细介绍。协同仿真就是通过事件和命令，使用一些机制，在这两个环境间进行控制。

2 DSM模型的使用
    SoC芯片的CPU一般选用ARM，协同验证平台中ARM可以用seamless CVE模型替代，或者直接选用ARM网表。采用seamless CVE模型进行仿真，虽然速度比较快，但需要替换设计中的Memory模型，且必须使用CVE自己的模型，这样与芯片真实情况有出入；采用ARM网表进行仿真，速度比较慢，调试也不方便，但是更接近实际情况。相比于这两者，本文采用的DSM(Design Simulation Model)模型由ARM公司提供，能完全模拟ARM的接口和时序行为，具有更高的真实性，而且DSM无需更换存储器模型和外挂仿真工具，使验证DUT与实际芯片完全一致，即不必为了满足仿真需求修改部分RTL代码。此外，DSM环境仿真过程中输出的LOG文件log．eis真实记录每个周期执行的CPU代码和操作。根据该文件能快速定位软件问题。CVE环境通过调用XRAY软件调试工具，虽然可以进行单步调试、没置断点等操作，但出现软件问题时定位没有DSM环境那么直观、方便。[!--empirenews.page--]
    DSM是ARM公司提供的设计仿真模型，该模型直接从ARM公司的RTL代码经过加密处理转化而来，具有同真实RTL代码完全一致的功能和特性。在时序仿真过程中，还能直接对该模型反标时序。在仿真过程中，将模型WRAPPER——也就是模型的最顶层——例化到RTL代码中，仿真器在仿真过程中触发WRAPPER，请求Model Manager动态调用模型库进行仿真。Model Manager响应请求动态调用模型库文件，达到功能仿真的目的。由此可以看出，Model Manager在仿真过程中充当中介角色，将模型和仿真器动态连接在一起。DSM模型的工作原理如图2所示。

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3 软件仿真
    ARM汇编器工具ARMASM、ARM的C／C++编译工具ARMCC和ARMCPP，以及ARM的链接工具ARMLINK，利用ARM工具对软件代码进行编译链接生成的文件格式为ELF格式(Executable Link File)，原始代码在文件中的位置通过SCATTER文件指定，ARM提供了fromelf工具，该工具将ELF格式的文件根据运行时域转化为二进制文件，以便在仿真起始阶段将代码放到指定的Memory中。在makefile中将ELF格式转化为BIN文件的具体实例如下：
    Fromelf-bin output．／softWare．elf
    上述语句表示将software.elf文件转化为二进制文件放到当前目录。
    在软硬件协同仿真的初始阶段，需要将生成的二进制文件导入相应的存储器中，这通过Verilog提供的系统函数fread实现。下面是一个将二进制文件导入存储器的实例，先通过$fopen函数读出文件地址，然后通过$fread函数将指定地址的文件数据传给变量inst_fik_word，最后将变量inst_file_world中的值传给存储器中的相应地址单元。在DSM仿真中都需要一个这样的“桥梁”文件，将软件和逻辑链接起来。
   
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    软硬件协同仿真的软件结构如图3所示，系统BOOT起来后直接跳转到main()函数进行单进程任务，如果出现中断异常，则boot代码中根据中断向量表地址跳转到中断处理函数。中断处理函数中包含对各中断的处理，main()函数中调用各个模块的TC(Test Case)函数，TC调用底层的驱动代码。驱动代码的编写则基于各个模块的寄存器定义文件和全局变量。该软件结构清晰可控，便于各测试用例TC的并行提交和管理。

4 构建基于VMM的软硬件协同仿真平台
    在软硬件协同仿真环境中，完全可以采用基于VMM的验证架构，但软硬件协同仿真环境较一般的纯逻辑集成验证环境难度大，主要体现在软硬件协同仿真环境冈为仿真过程中有软件代码在执行，同时验证环境也在执行，因此如何将软件代码和硬件环境协调起来是关键。在仿真过程中，软件和验证环境之间需要建立一种通信机制，如可以通过中断通信，也可以通过某一特殊信号线通信。软硬件协同仿真环境中，某一项功能点的测试常常需要软硬件两条测试用例TC，软件TC需要驱动代码，而一般的集成测试用例不需要软件TC和驱动。典型的VMM的验证架构如图4所示。

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    验证的总体架构是分层次的，层次化的验证环境具有很好的扩展性和重用性，各个层次完成自己特定的功能。Test层又叫TC层，主要完成数据激励的定义、环境的控制工作。Generator层定义的数据“模板”，产生各种数据激励。Function Layer层完成输入和输出数据激励的收集，进行自动比对。Command Layer层主要按接口时序收发数据，同时将一些底层方法(如数据读写等)进行封装。Signal Layer层主要是完成接口信号连接工作。不同的人关注不同层次，一般的验证人员只需要在Test层工作，编写测试向量。只有搭建环境的验证人员才需了解各个层次。验证架构的层次化降低了验证环境复杂度和环境维护成本，提升了验证效率。

    本文基本采用图4的验证环境架构的思路，并在其基础上进行修改，添加相应组件。VMM验证环境架构如图5所示，环境数据流从测试用例Test Case开始，经过数据包产生器Generator和数据处理器Transactor送给BFM处理，BFM把验证环境的抽象层次从信号级抽象到Transaction级，在实现上只做时序转换功能，利于重用。从发送方向看，BFM只负责将接收到的数据发送给DUT；从接收方向看，BFM只负责将接收到的数据发给Transactor，实现任何数据的解析。Monitor抓取接口上的信号，并分析各组控制信号之间的逻辑时序关系，检查其是否满足协议所规定的逻辑时序关系，同时把监测到的数据信号转化为数组送到RM解析。与BFM一样，Monitor只实现时序转换功能，不做数据解析。从Monitor上采样数据再送入RM，是基于重用的角度考虑。参考模型(RM)用于预测数据响应，Check组件将RM的输出数据与被观测响应进行比较。
    该验证环境架构还添加断言(Assertion)来提高观察和定位设计问题的能力。断言是检查DUT中信号行为是否正确的观察器，用来描述被预期的特定性质。本文采用的断言为SVA断言语言，可以应用到设计过程的各个阶段，还可以统计功能覆盖率。

5 基于DSM的软硬件协同仿真调试
    由于DSM模型在仿真过程中，会将ARM执行的每一步动作打印出来，生成一个log．eis文件，由该文件给出的信息定位问题非常方便，如图6所示。

    图中第1列表示程序执行到ARM的第几个时钟周期。第2列是ARM执行的指令类型。第3列的CCFAIL表示条件执行时是否执行，如果条件执行了，则不打印CCFAIL，反之则打印出CCFAIL。第4列是ARM执行的机器码。最后几列是详细的ARM执行的动作，从图中可以看出ARM执行哪一步指令，将哪些数据读写到哪些地址。对应的仿真波形图如图7所示。可以看出，log．eis完整无误地将ARM执行的动作打印了出来。

结语
    设计验证是SoC设计的关键技术之一，贯穿整个SoC设计过程。随着SoC技术的发展，软硬件协同验证的效率和正确性对整个SoC设计的影响也越来越大。相比传统的软硬件协同环境，本文介绍的环境速度快，更真实，调试也更加容易。该环境可继承性好，能够为各种SOC项目开发验证所用。