SoC软硬件协同验证平台相关技术探讨

　　相对于PCB（Printed CircuitB0ard，印刷电路板）级的系统，SoC的优点是显而易见的。SoC意味着更好的电路时序和更高的可靠性，但同时SoC也意味着更复杂的逻辑。为了解决SoC的众多设计难题，SoC设计方法学中最显着的一个特征就是IP（Intellec-tual Property，知识产权）的复用技术；然而系统的复杂度决定了不可能简单地将各个IP模块集成起来就完成了SoC的设计，SoC验证成为了一个新的问题。
　　在验证问题成为SoC设计的新的挑战之后，人们逐渐提出各种应对方法。其中，SoC软硬件协同验证的思想，切实反应了SoC验证中的问题和解决方法，越来越多地受到关注。本文以SoC软硬件协同验证思想为基础，提出一种验证平台的实现；同时考虑到SoC的不同设计层次，建立起统一的高速的系统级验证环境，有效的缓解了SoC验证中的关键难题。
　　1 SoC软硬件协同验证
　　SoC设计中，系统的功能是需要SoC的软件硬件相互配合共同实现的，这就出现了软硬件接口的验证问题。在以往的系统设计流程中，由于软件的实际运行需要一个完整的可用的硬件平台，软件与硬件的接口的验证过程是在硬件全部开发完毕，至少获得了硬件原型之后。这样的开发流程最严重的问题就是，软硬件之间的接口可能出现设计上的错误。而要纠正这样的错误，要么修改软件来适应硬件（这一般都会导致系统整体性能的损失），要么修改硬件来适应软件（这又要导致硬件的设计、制造的更改，造成成本上升，设计周期延长）。无论哪一种方法都是设计者所不希望看到但是又不能保证避免的。所以，在SoC的设计方法学中，必须在软硬件的开发过程中，就完成硬件原型的建立，并开始软硬件的联合验证，即SoC软硬件协同验证。
　　2 混合建模实现SoC软硬件协同验证
　　本文在一般的SoC软硬件协同验证的基础上，提出混合建模方法（Co-Modeling），使用各种不同抽象层次的模型共同组成SoC硬件系统，直接为SoC的软件提供可运行的载体，来实现SoC软硬件协同验证。不同抽象层次的模型包括事务级模型、功能性模型的高抽象层次的模型和RTL模型。
　　2.1 验证平台架构说明
　　如图1所示，整个验证平台的架构可以分为两个部分：软件建模部分，以PC机上软件的形式建模；硬件建模部分，以FPGA的形式建模。全部的硬件部分和除“ARM软件集成开发环境”之外的软件部分都用来建模SOC硬件系统，SoC软件可以直接在这个SoC硬件系统模型上运行、调试，如图中“ARM软件集成开发环境”所示。验证平台建模的SoC硬件系统，是针对ARM架构的SoC，以AHB总线为基础。AHB总线上的各模块为建模的基本单元。
　　验证平台软件部分中最重要的模型是CPU的ISS（Instlruction Set Simulator，指令集仿真器），用来模拟SoC系统中的CPU，可以提供软件代码执行时周期准确的仿真结果。平台中使用的是ARM系列CPU的ISS，称为ARMulator。ARMulator也是ARM CPU软件集成开发环境的直接载体，SoC的软件开发人员可以在基于AR-Mulator‘的集成开发环境中运行、调试源代码，与其在真实的CPU上的运行调试完全相同。其他的总线模型，如图中所示的IP3、IP4，用来描述SoC硬件系统中除CPU之外的一些模块，最好都是SystemC语言描述的事务级模型。事务级模型是RTL级硬件模型的抽象，省略了RTL级的实现细节，但是仍然以周期数精确等方式反映了RTL级模型的特点，是设计初期系统建模的常用选择。不过考虑到验证环境的通用性，再加上ARMulator本身也并不是SystemC语言的模型，而是基于C的功能性模型，验证环境自然需要同时支持事务级模型与功能性模型，因此，验证平台也支持其他总线模块以C／C++等语言描述的功能级模型。这些模型与ARMulator都连接到AHB总线的模型上，如图1中IP3、IP4所示，AHB总线模型负责完成ARMulator。与软件方各总线模型间，以及与硬件方之间的连接。
　　验证平台硬件部分的物理载体是以FPGA为主的PCB板卡，以PCI总线为物理通道连接到PC机。SoC硬件系统中RTL模型形式的总线模块全部下载到FPGA内部，如图1中的IPl、IP2。由于FPGA内模块的RTL模型与CPU之间的总线通信数据可以在软件方得到良好的可观测性，对于以验证总线模块间通信正确性为目的的系统级验证来说，模块间通信数据的可观测性是足够的，这也就部分避免了硬件建模方法观测性不足的缺点。
　　因为软件方的模型抽象层次比硬件方RTL模型的抽象层次高，所以要想把软件方模型和硬件方模型组合起来形成可用的SoC硬件系统，就必须完成这两种抽象层次之间的数据同步和交换，这个任务是BFM完成的。BFM的具体实现将在后面详细阐述。总体的效果是，在软件方模型看来，BFM代表了硬件上的RTL模型，对软件方隐藏了RTL模型的实现细节，软件方只需要访问BFM，就得到了相应模块的数据；而在硬件方模型看来，BFM代表了软件方的所有总线模块，BFM驱动的RTL级总线信号就是由软件方中各总线模块的总线访问转化而来的。

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