復(fù)雜系統(tǒng)級芯片的軟件/硬件協(xié)同驗證

本文針對復(fù)雜系統(tǒng)級芯片的軟件/硬件協(xié)同驗證環(huán)境的多種方法進(jìn)行了分析和比較, 并就各種方法在藍(lán)牙系統(tǒng)級芯片設(shè)計中的應(yīng)用為例對其進(jìn)行了詳細(xì)地闡述。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，單個硅片上的集成度越來越高，如何更快、更有效的完成基于SoC設(shè) 計逐漸成為人們關(guān)注的焦點。目前，許多設(shè)計小組仍然沿用十萬門設(shè)計中用過的工具和方法來驗證龐大的硬件和其嵌入軟件，這些方法往往要占用50%以上的設(shè)計 周期, 而且已經(jīng)達(dá)到極限。驗證最后設(shè)計的正確性被視為設(shè)計更大規(guī)模的系統(tǒng)級芯片的重要瓶頸。本文針對復(fù)雜系統(tǒng)級芯片的軟件/硬件協(xié)同驗證環(huán)境的多種方法進(jìn)行了分 析和比較, 并就各種方法在藍(lán)牙系統(tǒng)級芯片設(shè)計中的應(yīng)用為例對其進(jìn)行了詳細(xì)地闡述。

隨著近來日益明顯的靈活性需求，系統(tǒng)級芯片設(shè)計采用軟件來實現(xiàn)設(shè)計中的一部分硬件功能, 而不再采用單一用途的硬連接?，F(xiàn)今，在一個復(fù)雜的系統(tǒng)級芯片應(yīng)用中，例如視頻解碼器，設(shè)計者將集成硬件模塊，應(yīng)用軟件，RTOS，片上總線，可編程嵌入處 理器I/O外圍設(shè)備，內(nèi)存模塊，即所謂嵌入式內(nèi)核系統(tǒng)級芯片框架。

協(xié)同驗證環(huán)境

嵌入技術(shù)為基礎(chǔ)的SoC系統(tǒng)的設(shè)計周期，通常首先產(chǎn)生一個系統(tǒng)設(shè)計的抽象模型并對其進(jìn)行模擬, 功能抽象被映射到一個詳細(xì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時定義了系統(tǒng)框架的性能模型。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)映射把復(fù)雜系統(tǒng)分解成多個層次獨立的硬件核子模塊和軟件核子模塊核。同時系 統(tǒng)需求被轉(zhuǎn)換為軟件和硬件規(guī)范。硬件設(shè)計團(tuán)隊利用Verilog和VHDL完成硬件部分, 然后用硬件模擬器做驗證。軟件設(shè)計團(tuán)隊利用匯編，C,C++語言完成SoC所需的RTOS內(nèi)核軟件或其他功能軟件如通信協(xié)議軟件的設(shè)計,利用處理器模型和 ICE來測試軟件。傳統(tǒng)上，軟件團(tuán)隊等到硬件原型完成才可進(jìn)行最終的系統(tǒng)集成。很多問題會產(chǎn)生在系統(tǒng)集成的過程中。這些問題產(chǎn)生源于對規(guī)范的誤解，不適宜 的接口定義，和稍后的設(shè)計變化。通過軟件遞歸設(shè)計可以消除這些錯誤，但這樣可能會影響系統(tǒng)的性能。如果利用修改硬件的方法會十分耗費金錢和時間，特別是當(dāng) 其中包含循環(huán)設(shè)計集成電路。把系統(tǒng)的集成階段移到設(shè)計周期的前期可以較早的消除系統(tǒng)集成的問題。這可以通過創(chuàng)建一個軟件/硬件協(xié)同驗證環(huán)境來解決這個問 題。

在一個軟件/硬件協(xié)同驗證環(huán)境中有些方面十分重要:準(zhǔn)確,環(huán)境中模型應(yīng)該時鐘周期準(zhǔn)確或者管腳準(zhǔn)確而且必須準(zhǔn)確地映射 SoC功能?？焖?環(huán)境的速度應(yīng)該足夠快得可以使由實時操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序組成的軟件運行。適用，軟件和硬件設(shè)計團(tuán)隊都應(yīng)該能夠運用這個環(huán)境來進(jìn)行功能和 性能驗證?？傻茫瑸榱藢崿F(xiàn)Time_to_Market(TTM)的目標(biāo), 并能夠完成硬件/軟件協(xié)同設(shè)計和協(xié)同驗證，環(huán)境應(yīng)在設(shè)計周期的早期得到。經(jīng)濟(jì)，較少的金錢耗費也是一個和準(zhǔn)確性，性能同樣重要的考慮。

一般的協(xié)同驗證環(huán)境會有一個源代碼調(diào)試器作為基本構(gòu)成，為了讓用戶可以下載固件/軟件并連接系統(tǒng)。調(diào)試器可以幫助閱讀源代 碼，設(shè)立斷點，暫停和控制處理器的運行。依靠所選擇的環(huán)境的不同，處理器模塊就可以被一個模擬模型所代替，諸如指令集模擬器(ISS),總線功能模型，或 者RTL代碼。系統(tǒng)剩余的外圍設(shè)備可以用C代碼模型，正式芯片，RTL 碼，或在FPGA中的實現(xiàn)來代替。

表1列舉了幾種協(xié)同驗證環(huán)境, 它們支持在設(shè)計周期中較早地集成軟硬件，可以克服由傳統(tǒng)驗證方法所帶來的缺陷，同時，基于以下協(xié)同驗證環(huán)境所開發(fā)的軟件可以直接移植到最終的硅片上。當(dāng)選取一種驗證環(huán)境時，驗證目標(biāo)，調(diào)試覆蓋，性能要求，可以利用的資源是必須考慮的要點。

本文以后的部分將針對其中的軟體原型和原型系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地闡述，并以各種方法在一款藍(lán)牙系統(tǒng)芯片的設(shè)計中應(yīng)用為例。附圖 3 表示了舉例的藍(lán)牙系統(tǒng)芯片設(shè)計框圖, 該設(shè)計基于ARM7TDMI處理器核和AMBA片上總線。處理器運行在RTOS上完成所有任務(wù)的管理和調(diào)度，同時運行完整的藍(lán)牙協(xié)議棧。

軟體原型

一個軟件原型是被驗證的設(shè)計的軟件表現(xiàn)。 它可以檢查處理器的寄存器狀態(tài)，內(nèi)存存取，和外圍設(shè)備。如果運行軟件原型主機(jī)的運行速度足夠快，它可以使實際應(yīng)用軟件和固件在其上運行。利用軟件原型可以 使設(shè)計者在得到實際硅片之前使設(shè)計者平衡所修改的系統(tǒng)參數(shù)和檢查所得結(jié)果，測試中斷處理函數(shù)，開發(fā)和測試驅(qū)動程序，測試編譯器產(chǎn)生的代碼的正確性，使系統(tǒng) 和外圍設(shè)備的行為可視化和檢驗應(yīng)用程序算法的正確性。

在軟件原型中，處理器用一個ISS模擬，并和源代碼調(diào)試器接口。外圍設(shè)備用C模型表現(xiàn)。圖1為所舉例的藍(lán)牙系統(tǒng)級芯片一個 典型軟件原型的簡單框圖。它由一個CPU調(diào)試器(例如，ARM調(diào)試器)一個CPU ISS(例如ARM模擬器)和外圍設(shè)備C 模型。利用軟件原型開發(fā)的軟件和固件可以通過ICE下載到快速原型或目標(biāo)硬件系統(tǒng)并為仿真作配置。

建立一個基于微處理器的系統(tǒng)的軟件原型，需要以下軟件構(gòu)件: 1. 處理器源代碼調(diào)試器,這個軟件模塊由調(diào)試核和用戶界面所集成，可以使使用者去控制目標(biāo)系統(tǒng)在調(diào)試周期中所處的狀態(tài)。調(diào)試、編譯和(目標(biāo)代碼)連接工具集位 于和調(diào)試核集成的調(diào)試宿主機(jī)器。調(diào)試器可以通過一個ICE連接到目標(biāo)硬件系統(tǒng)。調(diào)試器可以被用作讀/寫寄存器和內(nèi)存,控制和重啟系統(tǒng)和模擬器中的處理器。 2. 指令集模擬器(ISS)，該軟件模塊在沒有考慮時延地前提下模擬處理器指令。特定的處理器生產(chǎn)商會提供相應(yīng)的ISS。例如，ARM 提供的ARMulator模擬ARM處理器系列，提供和外圍設(shè)備C模型的接口，并幫助構(gòu)成一個軟件原型。3. 外圍設(shè)備C模型，其中寄存器的所有細(xì)節(jié)，字節(jié)定義，外圍的中斷行為都應(yīng)該包含在該C 模型中。這可以使固件和應(yīng)用軟件僅做少量的改動或不改動就可在實際硅片中使用。

在實際應(yīng)用中，軟件原型有以下的局限性：a. 容量有限：軟件原型僅在早期接口和代碼段調(diào)試應(yīng)用。B. 速度有限：在大多數(shù)情況，模擬速度是一個十分敏感的問題，因為模擬器總不能和實際的處理器一種快。C. 模型的準(zhǔn)確性：外圍設(shè)備C模型僅是功能正確， 而不是時鐘周期正確和管腳正確。D. 同步性：對于像外圍設(shè)備數(shù)據(jù)同步性的需求一般難于解決。

構(gòu)成一個軟件原型必須遵行以下步驟：1. 分析為設(shè)計所選取的處理器的特征。2. 檢查所選處理器ISS是否能夠和所選外圍C模型接口。如果ISS無相應(yīng)的接口，軟件原型就無法構(gòu)成。3. 分析接口，內(nèi)存地址，寄存器，字節(jié)定義，外圍設(shè)備中斷行為，并完成相應(yīng)C模型。4. 完成需要利用軟件原型去驗證的應(yīng)用程序。并將處理器ISS，外圍C模型，應(yīng)用程序編譯成可在宿主機(jī)運行的可執(zhí)行程序。5. 運行編譯程序和調(diào)試器并開始調(diào)試。如果有一些錯誤，其起因可能是因為外圍設(shè)備模型和應(yīng)用程序的錯誤。如需要進(jìn)行性能測試，則可在相應(yīng)的仿真或快速原型環(huán)境 下進(jìn)行，最終當(dāng)實際硅片完成，軟件既可被用于最后軟件和硬件集成。在舉例的藍(lán)牙系統(tǒng)級芯片(如圖2所示)的軟件原型中，分別為UART，并行接口，中斷控 制器模塊構(gòu)造C模型，ARM7TDMI處理器被ARMulator所代替。 其中ARMulator由一個ARM 處理器內(nèi)核模型，內(nèi)存接口， 執(zhí)行環(huán)境中操作系統(tǒng)接口，和一個協(xié)處理器接口組成，同時和ARM調(diào)試器接口。

快速原型系統(tǒng)

快速原型系統(tǒng)(RPS)是設(shè)計的硬件設(shè)計的表現(xiàn)。成功快速原型的關(guān)鍵在于盡可能快的實現(xiàn)一個原型。這里將著重論述針對應(yīng)用的 可重置系統(tǒng)原型系統(tǒng)(ARPS)。這種方法將目標(biāo)設(shè)計映射到普遍可得的商用器件上而且具有一定的擴(kuò)展能力和可重用特性。通常，這些原型的構(gòu)成圍繞嵌入式處 理器的BSP，通過增加附加構(gòu)件(內(nèi)存，F(xiàn)PGA，IP核)。根據(jù)所選的IP，BSP可以在SoC完成前被用來開發(fā)和調(diào)試硬件和軟件。例如，很多IP供應(yīng) 商，ARM，DSPGroup，MIPS，Motorola都提供基于他們處理器IP的BSP。這些BSP可劃分為兩種，一種基于微處理器，例如將在舉例 中的提到的ARM基于AMBA的BSP。這款組成包括一個ARM7TDMI處理器芯片，仲裁器，地址解碼器，內(nèi)存，兩個時鐘，中斷控制器，兩個UART， 并口，兩個PC卡插槽，和(閃存/EPROM，SRAM，DARM)內(nèi)存控制器。BSP有輔助軟件和一個ICE幫助開發(fā)和調(diào)試，它在20 MHz 時鐘下，并連接LA。另一種基于DSP。較典型例如DSP Group基于OkaDSP的BSP。它的構(gòu)成包括一個DSP，地址解碼器，擴(kuò)充內(nèi)存，和膠合邏輯。它運行在40MHZ 時鐘速度，可以連接LA，通過一個PC附加模塊提供體調(diào)試特征。

ARPS除了具有應(yīng)用范圍大，性能高，支持模擬/混合信號器件(AMS)的集成等RPS的共性外。同時，ARPS具有如下 的特殊優(yōu)點:首先，有助于快速理解IP功能,包括處理器和外圍設(shè)備。其次可以證明設(shè)計產(chǎn)品的特征。有能力連接ICE和LA設(shè)備做調(diào)試。能夠便利地探測和監(jiān) 控系統(tǒng)內(nèi)的管腳和信號。最后可以通過插入附加IP模塊來進(jìn)行設(shè)計擴(kuò)展。

在實際應(yīng)用中，ARPS有以下的局限性：首先將整個設(shè)計劃分到多個FPGA將是一個工程挑戰(zhàn)并占據(jù)大量的時間，這往往是因 為FPGA的最多管腳數(shù)(I/O接口)一般有限(通常400~450)。其次，除非未來的產(chǎn)品基于相同的平臺，否則ARPS的重用僅限于選定的應(yīng)用領(lǐng)域。 最后，也是較重要的一點，如果需要額外的功能模塊，相應(yīng)花費的開發(fā)時間將頗為可觀。其中將包括FPGA實現(xiàn)，PCB封裝等。

基于以上的特點，通常運用ARPS方法時總假定系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)完成，軟件和硬件劃分已經(jīng)完成，所需的SoC的IP集合和 BSP以被確定和選取。構(gòu)成一個ARPS驗證必須遵行以下步驟：1. 選擇并分析可用IP的BSP，并將其映射到目標(biāo)SoC設(shè)計。2. 如缺乏所需的IP模塊，選取適當(dāng)FPGA器件并完成相應(yīng)RTL代碼綜合，模擬，和布線。3. 對相應(yīng)BSP進(jìn)行配置并和額外設(shè)計的模塊連接。4. 利用ICE和LA調(diào)試器件驅(qū)動和應(yīng)用程序代碼，并分別修復(fù)軟/硬件錯誤。

舉例的藍(lán)牙SoC的ARPS由ARM的基于AMBA的BSP構(gòu)成。該BSP由架構(gòu)(圖3)中除了USB, 編解碼器, 藍(lán)牙連接控制模塊以外的所有模塊組成。遺漏的這三個模塊可以集成到一個ASB模塊中，并插入BSP所提供的接口。藍(lán)牙連接控制器和編解碼器的數(shù)字部分可以 在一個FPGA中實現(xiàn)。AMS模塊(數(shù)模, 模數(shù)轉(zhuǎn)換, USB模擬部分器件)可以通過標(biāo)準(zhǔn)芯片連接到外部的FPGA。有關(guān)設(shè)計可參照www.arm.com 的設(shè)計準(zhǔn)則來完成。隨BSP提供的軟件工具包含一個源代碼調(diào)試器、編譯器=匯編、(目標(biāo)代碼)連接器,這些可以被用作軟件的開發(fā)和調(diào)試。應(yīng)用軟件和固件可 以利用這個該ARPS來測試。

SoC中的調(diào)試技巧

因為沒有外接管腳可以連接ICE 和LA，SoC中的處理器內(nèi)核對于調(diào)試和分析是不可見的。這就需要新的調(diào)試技巧和工具去解決嵌入式內(nèi)核的調(diào)試和分析問題：BDM核，基于掃描鏈的調(diào)試方法(JTEG)和Nexus 5001 Forum：

1. BDM 已經(jīng)被融入Motorola 微處理器。這是通過增加一個小的調(diào)試邏輯和附加的微處理器代碼來實現(xiàn)。這種模型使用一個外在處理器來控制微處理器的目標(biāo)系統(tǒng)并通過串口檢測內(nèi)部寄存器和內(nèi) 存，而目標(biāo)系統(tǒng)和主系統(tǒng)的聯(lián)系通過一個BDM導(dǎo)線。BDM技術(shù)不需求任何目標(biāo)處理器資源，例如片上內(nèi)存和I/O管腳。

2. JTAG (IEEE 1149.1) 標(biāo)準(zhǔn)源于邊界掃描，一開始為芯片制造的測試所設(shè)計。該標(biāo)準(zhǔn)同時可以執(zhí)行器件內(nèi)測試，例如ATPG和BIST。

很多內(nèi)核供應(yīng)商和半導(dǎo)體公司利用JTAG 標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)仿真模擬，通過添加調(diào)試邏輯去測試處理器內(nèi)部寄存器，指令，數(shù)據(jù)線內(nèi)容，還可以通過設(shè)立斷點控制軟件的執(zhí)行。處理器內(nèi)核，例如ARM, MPIS和POWERPC 都有基于JTAG的仿真模擬特性。

3. Nexus 5001 Forum 建立于1998， 定義了一個嵌入式處理器調(diào)試和接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為處理器和構(gòu)架獨立而且支持多內(nèi)核和多處理器的設(shè)計。 Forum 由處理器供應(yīng)商，工具供應(yīng)商，和器件制造商組成， 同時也稱為IEEE-ISTO 5001 標(biāo)準(zhǔn), 有關(guān)可參照www.ieee-isto.org/Nexus5001。

任何調(diào)試技巧都依賴于一定的工具。調(diào)試工具分兩種，硬件工具和軟件工具。硬件調(diào)試工具用于調(diào)試硬件目標(biāo)系統(tǒng)。 它包括ROM模擬器(RE)、ICE和LA. 圖2顯示 ICE /RE，LA和硬件模塊之間的連接，其中ICE連接CPU,RE連接系統(tǒng)ROM。

一個RE插入目標(biāo)硬件原型上ROM/FLASH插口，映射目標(biāo)ROM到內(nèi)部ROM，這可以快捷地完成代碼修改，通過消除EPROM擦/寫周期加速調(diào)試過程。ICE是一個硬件設(shè)備，物理代替并模擬被測目標(biāo)系統(tǒng)的處理器。而LA則被用作目標(biāo)系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集。

軟件調(diào)試工具則包括ISS 和cycle accurate simulator(CAS)。模擬器是一種軟件工具以用來仿真處理器的功能。它和外圍設(shè)備的C模型接口，在得到實際硅片前建立一個代表目標(biāo)設(shè)計的系統(tǒng)。 這可以使開發(fā)者開始開發(fā)固件，驅(qū)動程序和應(yīng)用程序。對于前者，順序執(zhí)行程序指令并不考慮系統(tǒng)時鐘。而對于CAS， 處理器的行為以時鐘周期為基準(zhǔn)，處理器內(nèi)部細(xì)節(jié)，例如流水線，處理器接口，總線協(xié)議，都可以做詳細(xì)地模擬仿真。通常情況下，ISS的速度較CAS快。

本文小結(jié)

在復(fù)雜SoC器件中協(xié)同驗證硬件和軟件需要新的方法和工具。隨著軟件數(shù)量在即所謂基于嵌入式內(nèi)核系統(tǒng)級芯片框架的系統(tǒng)級芯片 上的不斷增加，設(shè)計周期中較早地集成軟硬件是至關(guān)重要的。本文重點闡述了軟件/硬件協(xié)同驗證的基本特征，四種較為完善的協(xié)同驗證環(huán)境及其各自特點。并以藍(lán) 牙系統(tǒng)級芯片設(shè)計中的應(yīng)用為例針對其中的軟體原型和原型系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)地闡述。提供一個完整的基于軟核和硬連線宏功能塊的硬/軟件驗證和調(diào)試的解決方案。