SoC系統(tǒng)中AHB／VCI Wrapper的設(shè)計及驗證

摘要：文章描述SoC平臺的片內(nèi)總線到VCI標準接口的轉(zhuǎn)換部件的設(shè)計實現(xiàn)。它可以把帶有VCI標準接口的IP模塊和AMBA AHB系統(tǒng)總線連接起來。研究內(nèi)容主要包括兩部分：第一，在VCI標準Rev2．0版本的基礎(chǔ)上，參照BVCI協(xié)議要求完成一個AMBA AHB系統(tǒng)總線與VCI標準接口的轉(zhuǎn)換部件-AHB／VCI Wrapper；第二，利用總線功能模型(BFM)思想，為AMBA總線和BVCI接口建立相應的BFM模型，在此基礎(chǔ)上，完成對AMBA總線控制部件和AHB／VCI Wrapper的功能驗證。該平臺具有很好的可重用性。
關(guān)鍵詞：AMBA總線；VCI接口；總線功能模型

0 引言
    Basic VCI協(xié)議：AHB／VCI Wrapper的設(shè)計中采用的是VCI接口標準中的Basic VCI(BVCI)。
    SoC平臺通過提供預先集成并驗證好的特定應用IP核，在很大程度上減弱了IP系統(tǒng)集成和系統(tǒng)級驗證的負擔。SoC設(shè)計平臺中各功能IP模塊是通過AMBA總線來連接的。AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)Rev2．0片內(nèi)總線由ARM公司開發(fā)，是業(yè)內(nèi)廣泛流行的一種工業(yè)標準片內(nèi)總線。

1 AHB／VCI Wrapper設(shè)計思想
    它包含兩部分：AHB-initiator-Wrapper和AHB-target-Wrapper，如圖1所示。從而實現(xiàn)AHB主設(shè)備與VCI從動方以及AHB從設(shè)備與VCI主動方之間的協(xié)議相互轉(zhuǎn)換。

    AHB-initiator-Wrapper負責把VCI請求轉(zhuǎn)換成AHB周期請求，此時，它在AHB總線方相當于一個AHB主設(shè)備，在VCI方相當于一個VCI從動方。由于AHB-initiator-Wrapper具有AHB主設(shè)備特性，因此它在實際應用中可被例化為多個VCI主設(shè)備接口。
    AHB-target-Wrapper負責把AHB傳送轉(zhuǎn)換成VCI傳送，此時，它在AHB總線方相當于一個AHB從設(shè)備，在VCI方相當于一個VCI主動方。同樣，由于AHB-target-Wrapper具有AHB從設(shè)備特性，因此它在實際應用中可被例化為多個VCI從設(shè)備接口。
1．1 AHB initiator Wrapper的設(shè)計
    AHB-initiator-Wrapper負責接受VC主動方發(fā)出的請求，并控制AHB總線(作為總線主設(shè)備)完成傳送。尤其是，AHB-initiator-Wrapper要負責向AHB總線仲裁器請求總線所有權(quán)，得到總線以后，啟動AHB上的傳送并處理相應的AHB傳送反應，最后完成數(shù)據(jù)傳送。
1．2 AHB initiator Wrapper的總體構(gòu)架
    本設(shè)計中的AHB-initiator-Wrapper采用同步化電路機制解決了VCI主動方設(shè)備與AHB總線之間的速率匹配問題，圖2給出了該設(shè)計的總體構(gòu)架。它主要包含五部分：BVCI請求握手控制單元、BVCI響應握手控制單元、請求內(nèi)容FIFO、響應內(nèi)容FIFO和AHB主設(shè)備控制引擎。

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    BVCI請求握手控制單元按照BVCI請求握手協(xié)議接受來自BVCI主動方的請求內(nèi)容信息，并把它們插入請求內(nèi)容FIFO(速率不匹配情況)或直接傳送到AHB控制一側(cè)(速率匹配情況)。
    BVCI響應握手控制單元從響應內(nèi)容FIFO中取出BVCI響應內(nèi)容信息，并按照BVCI響應握手協(xié)議把它們驅(qū)動到BVCI主動方。
    請求內(nèi)容FIFO是一個異步FIFO(寫端口與讀端口分別工作在不同的時鐘域)，它只有當VCI主動方設(shè)備和AHB總線之間速率不匹配時才工作。
    響應內(nèi)容FIFO為一個異步／同步模式可配置的FIFO，當VCI主動方設(shè)備和AHB總線之間速率不匹配時，它工作在異步模式(寫端口與讀端口分別工作在不同的時鐘域)否則FIFO工作在同步模式(寫端口與讀端口工作在同一時鐘域)，只需完成BVCI響應內(nèi)容信息的緩存功能即可。
    AHB主設(shè)備控制引擎在BVCI和AHB之間進行控制信號的轉(zhuǎn)換。還支持AHB主設(shè)備所具備的對總線異常傳送(錯誤、重試傳送)情況的處理能力。
1．3 AHB target Wrapper的設(shè)計
    AHB-target-Wrapper作為一個AHB從設(shè)備，其主要作用是把AHB傳送轉(zhuǎn)換為符合VCI協(xié)議的傳送。
1．4 AHB target Wrapper的總體構(gòu)架
    圖3給出了AHB-target-Wrapper的總體構(gòu)架，它由各種控制邏輯、數(shù)據(jù)通路、數(shù)據(jù)緩沖單元和寄存器組成，主要包含十三部分：寄存器塊、AHB從設(shè)備讀寫控制邏輯、地址／控制信息FIFO、寫數(shù)據(jù)FIFO、讀數(shù)據(jù)FIFO、VCI主動方引擎、VCI響應處理機、比較器、包計數(shù)器、同步裝置、寫數(shù)據(jù)路徑選擇復用器、讀數(shù)據(jù)路徑選擇復用器和中斷邏輯。

    (1)寄存器塊完成對AHB-target-Wrapper的配置和控制以及對其當前工作狀態(tài)的反應。
    (2)AHB從設(shè)備讀寫控制邏輯，具備AHB總線從設(shè)備的控制功能。
    (3)地址／控制信息FIFO主要用來存放AHB傳送單元的地址／控制信息，以起到緩沖目的。
    (4)寫數(shù)據(jù)FIFO主要用來存放進行寫操作時的數(shù)據(jù)，以起到寫數(shù)據(jù)緩沖目的。
    (5)讀數(shù)據(jù)FIFO主要用來存放進行讀預取操作時的數(shù)據(jù)，以起到讀數(shù)據(jù)預取目的。它也是一個雙端口的同步／異步可配置FIFO(一個寫端口，一個讀端口)，當AHB總線和VCI從動方設(shè)備之間速率不匹配時工作在異步模式下，匹配時工作在同步模式下，同步／異步模式的切換可通過配置寄存器來實現(xiàn)。
    (6)VCI主動方引擎把符合AHB傳送協(xié)議的地址／控制信息轉(zhuǎn)換為符合BVCI標準的請求內(nèi)容信息，并按照BVCI請求握手協(xié)議把請求內(nèi)容信息驅(qū)動到VC從動方設(shè)備。
    (7)VCI響應處理機按照BVCI響應握手協(xié)議接收由VCI從動方設(shè)備返回的響應內(nèi)容信息，并進行相應的處理。
    (8)比較器用于讀預取操作情況，比較正在進行的讀預取操作和AHB上新發(fā)來的讀操作是否為同一個讀交易。
    (9)包計數(shù)器用來統(tǒng)計當前VCI主動方引擎發(fā)出的多個BVCI請求包中沒有被響應的請求包個數(shù)，其主要目的是為VCI主動方引擎提供有關(guān)當前請求包是否正在被響應的信息。
    (10)同步裝置在兩個時鐘域的交叉處，即從HCLK到VCLK域和從VCLK到HCLK域的兩個數(shù)據(jù)流方向上，分別對內(nèi)部控制信號進行同步。
    (11)寫數(shù)據(jù)路徑選擇復用器根據(jù)AHB的傳送單元大小、字節(jié)地址和地址大小端模式來選擇AHB寫數(shù)據(jù)總線上相應的字節(jié)通道并把它復制到?jīng)]選通的字節(jié)通道上。
    (12)讀數(shù)據(jù)路徑選擇復用器根據(jù)BVCI響應字節(jié)使能(按照一定的算法，由AHB讀交易的傳送單元大小、第一個傳送字節(jié)地址以及BVCI的地址模式自動轉(zhuǎn)換生成)來選擇BVCI讀數(shù)據(jù)總線上相應的字節(jié)通道并把它復制到?jīng)]選通的字節(jié)通道上。
    (13)中斷邏輯當內(nèi)部電路在執(zhí)行寫操作過程中發(fā)生傳送錯誤時，產(chǎn)生錯誤中斷源，同時根據(jù)中斷屏蔽寄存器來決定相應的中斷源是否開放，根據(jù)中斷清除寄存器來清除相應的中斷源。

2 AHB／VCI、Wrapper的硬件實現(xiàn)
    本文分別給出了AHB-initiator-Wrapper和AHB-target-Wrapper的總體構(gòu)架，并對兩者內(nèi)部的各個功能模塊及控制部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了詳細敘述，同時對兩者的可配置性也進行了充分考慮。在本章最后，對AHB／VCI Wrapper進行了RTL級Verilog硬件建模并進行了初步的門級綜合及電路規(guī)模預估。
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3 驗證平臺的搭建
    本節(jié)的BFM模型主要任務就是利用這些模型來搭建驗證平臺。
    把AHB主設(shè)備BFM模型、VCI從動方BFM模型、系統(tǒng)時鐘及復位產(chǎn)生模型、待測設(shè)計AHB-target-Wrapper模塊和AMBA總線控制器進行適當組合，集成在一起便可構(gòu)成驗證平臺，如圖4所示。這個過程需要由TestBencher Pro工具來完成，因為該工具可以很好地控制BFM模型中每個命令函數(shù)的調(diào)度和執(zhí)行順序，其自動化程度是比較高的。剩下需要由設(shè)計者做的事情是，根據(jù)待測設(shè)計AHB-target-Wrapper的測試要求，編寫平臺腳本來合理安排BFM模型中每個命令函數(shù)的調(diào)度和執(zhí)行順序，然后以文件形式輸入到驗證平臺中即可開始進行驗證。該驗證平臺通過Test Bencher Pro工具生成之后，也可以移植到別的模擬器環(huán)境中運行。

    需要說明的是，驗證平臺中的AMBA總線控制器是經(jīng)過事先充分驗證的，而且該驗證平臺在對其他待測模塊進行驗證的同時也是對AMBA總線控制器的有效考驗。
    該驗證平臺除了可以驗證待測設(shè)計AHB-target-Wrapper外，還可以驗證其它AHB從設(shè)備和APB從設(shè)備功能模塊。如果在該驗證平臺中再加入一個AHB從設(shè)備BFM模型和總線協(xié)議監(jiān)視器，便可形成一個功能齊全的驗證平臺，既可驗證AHB主設(shè)備又可驗證AHB從設(shè)備和APB從設(shè)備，同時還可及時檢測是否發(fā)生總線傳送協(xié)議錯誤。
    當驗證平臺搭建好后，需要由設(shè)計者針對待測模塊的測試要求，編寫相應的測試激勵，來完成最后的設(shè)計驗證。

    對應這段測試激勵的模擬波形如圖5所示，最后的log文件顯示結(jié)果中除了預設(shè)的警告外，沒有錯誤發(fā)生，說明待測設(shè)計AHB-target-Wrapper對這段測試激勵模擬正確通過。

4 結(jié)論
    本文主要介紹了利用總線功能模型進行設(shè)計驗證的思想，在設(shè)計驗證中使用了SynaptiCAD公司時序驗證工具；通過TestBencher Pro工具完成其功能驗證，應如何建立它所需要的BFM模型以及如何搭建其驗證平臺，同時說明了該驗證平臺具有很好的可復用性；最后給出了測試激勵的編寫方法及相應的模擬結(jié)果。