基于UVM的AXI4-Stream可重用驗(yàn)證平臺設(shè)計(jì)

徐春琳, 倪 偉, 宋宇鯤

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 微電子設(shè)計(jì)研究所,安徽 合肥 230601; 2.教育部IC網(wǎng)上合作研究中心,安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著片上系統(tǒng)(system on chip,SoC)芯片復(fù)雜度日益提高,驗(yàn)證環(huán)節(jié)用時逐漸增加,目前約占整個芯片設(shè)計(jì)周期的70%～80%,其進(jìn)度將直接影響整個項(xiàng)目進(jìn)度。傳統(tǒng)驗(yàn)證方法耗時長,且對規(guī)模較大的設(shè)計(jì)難以保證覆蓋所有的功能點(diǎn)。2011年,Accellera標(biāo)準(zhǔn)組織推出新型通用驗(yàn)證方法學(xué)(universal verification methodology,UVM),并于2017年被正式納入IEEE 1800.2-2017標(biāo)準(zhǔn)[1]。UVM集成了驗(yàn)證方法學(xué)手冊(verification methodology manual,VMM)和開放驗(yàn)證方法學(xué)(open verification methdology,OVM)的優(yōu)點(diǎn)并克服了各自的缺點(diǎn),提供了寄存器抽象層(register abstraction layer,RAL)驗(yàn)證解決方案,并引入了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)模式中的工廠(factory)機(jī)制,因此,利用UVM搭建的驗(yàn)證平臺具有良好的可重用性,得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同,越來越多的新項(xiàng)目開始選擇基于UVM的驗(yàn)證方案。

當(dāng)今異構(gòu)SoC設(shè)計(jì)中通常需要高速和大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)流傳輸。2010年,ARM公司推出了面向高速流數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁XI4-Stream協(xié)議,主要用于模塊之間進(jìn)行高速流數(shù)據(jù)傳輸。AXI4-Stream是一種單通道單向的傳輸方式,去除了地址的概念,是一種點(diǎn)對點(diǎn)或1點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)流通信協(xié)議,支持多種流傳輸及多種字節(jié)方式,允許無限制的數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸規(guī)模[2],適合訪問諸如先進(jìn)先出(first input first output,FIFO)隊(duì)列這樣沒有地址概念的存儲介質(zhì)。AXI4-Stream已被廣泛應(yīng)用于眾多SoC設(shè)計(jì),如無線通信基站芯片。部分業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的電子設(shè)計(jì)自動化(electronic design automation,EDA)公司也相繼開發(fā)了支持AXI4-Stream的Video Combiner、Noise Filter等商業(yè)IP核和基于UVM的AXI4-Stream驗(yàn)證IP[3]。

目前,國內(nèi)有少數(shù)科研機(jī)構(gòu)大規(guī)模開展了UVM的驗(yàn)證技術(shù)研究,如合肥工業(yè)大學(xué)開發(fā)了基于UVM的通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)、集成電路內(nèi)置音頻總線(inter-IC Sound,I2S)及高級可拓展接口(advanced extensible interface,AXI)等驗(yàn)證IP[4-6],西安電子科技大學(xué)研究了控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)和高速外設(shè)部件互連(peripheral component interconnect express,PCI Express)等UVM驗(yàn)證平臺[7-8],其中,對于AXI驗(yàn)證IP的研究雖然考慮了可配置性與可重用性,但是在多主機(jī)(Master)-多從機(jī)(Slave)驗(yàn)證場景中,只考慮了路由功能,未考慮到仲裁功能,驗(yàn)證具有局限性,且對于CAN總線驗(yàn)證平臺的研究未考慮可配置性。隨著集成電路的發(fā)展和對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕾?高速接口AXI4-Stream的應(yīng)用也越來越廣泛,而目前國內(nèi)對AXI4-Stream驗(yàn)證平臺的相關(guān)研究很少。本文研究設(shè)計(jì)了基于UVM的AXI4-Stream驗(yàn)證平臺。

該驗(yàn)證平臺采用UVM技術(shù),在設(shè)計(jì)過程中考慮了驗(yàn)證平臺的可配置性、可重用性及自動化。本文特別研究了AXI4-Stream互聯(lián)(Interconnect)結(jié)構(gòu)中多Master與多Slave之間信息交互的路由和仲裁算法,解決它們之間的競爭行為;構(gòu)建了可自動收集功能覆蓋率的覆蓋率模型,大大提升了驗(yàn)證平臺的自動化程度;通過配置類實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證平臺的可配置性,因此具有良好的可重用性,顯著提高了驗(yàn)證效率。

1 AXI4-Stream驗(yàn)證平臺設(shè)計(jì)

1.1 AXI4-Stream驗(yàn)證平臺

本文設(shè)計(jì)的AXI4-Stream驗(yàn)證平臺整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。Top封裝了環(huán)境類Env,Env封裝了Master-agent、Slave-agent以及負(fù)責(zé)監(jiān)測事務(wù)(transaction)傳輸是否符合協(xié)議的檢驗(yàn)器Checker。Master-agent包含Master-sequencer、Master-driver、Master-monitor組件,Slave-agent包含Slave-sequencer、Slave-driver、Slave-monitor組件。圖1中的Master-seq和Slave-seq為驗(yàn)證平臺提供測試激勵,虛擬接口(virtual interface,VI)用于連接驗(yàn)證平臺和待測設(shè)備,系統(tǒng)配置類Sys-config和端口配置類Port-config為驗(yàn)證平臺提供配置信息,功能覆蓋率模型Coverage-model收集功能覆蓋率。

圖1 驗(yàn)證平臺整體結(jié)構(gòu)

Master-agent內(nèi)的Master-seq負(fù)責(zé)產(chǎn)生測試激勵;Master-sequencer一方面檢驗(yàn)是否有Master-seq需要發(fā)送transaction,另一方面檢測Master-driver是否向自身申請transaction,且Master-seq產(chǎn)生的transaction只有經(jīng)過Master-sequencer才可以發(fā)送至Master-driver;Master-driver將接收到的transaction從事務(wù)級轉(zhuǎn)化為信號級,并驅(qū)動至VI上;Master-monitor采集VI上的信號并將其轉(zhuǎn)化為事務(wù)級的transaction,接著將transaction分別發(fā)送至Checker和Coverage-model。

Slave-agent內(nèi)各個組件功能與Master-agent內(nèi)的類似。

多Master-多Slave驗(yàn)證平臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多Master多Slave驗(yàn)證平臺的結(jié)構(gòu)

當(dāng)待驗(yàn)證場景為單Master-單Slave情形時,可直接采用圖1所示的結(jié)構(gòu)。自驗(yàn)證時,Master-seq產(chǎn)生的transaction通過Master-sequencer發(fā)送給Master-driver。Master-driver將transaction從事務(wù)級轉(zhuǎn)化為信號級并通過相應(yīng)的任務(wù)驅(qū)動到VI上。Slave-monitor不斷采樣VI上的有效信號并將其轉(zhuǎn)化為事務(wù)級transaction,存儲在一個內(nèi)部郵箱中。Slave-seq調(diào)用Slave-sequencer內(nèi)部端口的peek任務(wù)從內(nèi)部郵箱中獲取transaction,根據(jù)不同的測試需求做相應(yīng)的處理后通過Slave-sequencer發(fā)送給Slave-driver。Slave-driver將transaction從事務(wù)級轉(zhuǎn)化為信號級后驅(qū)動至VI上,完成Master-agent和Slave-agent的握手過程,一次數(shù)據(jù)傳輸完成。

待驗(yàn)證場景為多Master-多Slave情形時,采用圖2所示的結(jié)構(gòu)。圖2中,Intcon-env代表互聯(lián)結(jié)構(gòu),用于多Master與多Slave之間信息的交互,解決多Master與多Slave之間的路由以及仲裁問題。Sys-monitor負(fù)責(zé)采集互聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部從機(jī)Intcon-slave-agent和主機(jī)Intcon-master-agent的transaction并傳送至Sys-checker,Sys-checker比較兩者的輸出,從而判斷Intcon-env是否工作正常。

1.2 AXI4-Stream Interconnect結(jié)構(gòu)

1.2.1 Intcon-env路由設(shè)計(jì)

互聯(lián)Intcon-env整體結(jié)構(gòu)如圖3所示, Intcon-slave-fifo和Intcon-master-fifo是一組uvm-tlm-fifo組件,既保證了互聯(lián)結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個組件之間的通信,又解決了多路數(shù)據(jù)做不同處理問題。Intcon-master-agent和Intcon-slave-agent分別為互聯(lián)內(nèi)部的主機(jī)和從機(jī),功能與1.1節(jié)所述相同。Intcon-driver負(fù)責(zé)將transaction從互聯(lián)內(nèi)部的從機(jī)驅(qū)動至內(nèi)部的主機(jī)。

圖3 Intcon-env結(jié)構(gòu)

自驗(yàn)證時,主機(jī)按照單Master-單Slave發(fā)送transaction的方式將transaction轉(zhuǎn)化為信號級并驅(qū)動至VI上,Intcon-slave-monitor不斷采樣VI上的有效信號,并將其轉(zhuǎn)化為事務(wù)級存入一個內(nèi)部郵箱中。Intcon-slave-sequencer調(diào)用內(nèi)部端口peek任務(wù)從此郵箱中獲取transaction,經(jīng)Intcon-slave-sequence處理后發(fā)送給Intcon-slave-sequencer。Intcon-slave-sequencer調(diào)用內(nèi)部端口put任務(wù)將transaction存入Intcon-slave-fifo,并將transaction發(fā)送給Intcon-slave-driver,后者將其轉(zhuǎn)化為信號級后驅(qū)動至VI上,實(shí)現(xiàn)Master-agent與Intcon-slave-agent的握手。Intcon-driver調(diào)用內(nèi)部端口get任務(wù)從Intcon-slave-fifo中獲取transaction并將其推入一個內(nèi)部隊(duì)列中,接著以輪詢方式訪問隊(duì)列中的每個transaction,獲取每個transaction的路由端口,并按照所獲取的端口信息將不同transaction發(fā)送給不同Intcon-master-fifo。Intcon-master-sequence調(diào)用內(nèi)部get任務(wù)從Intcon-master-fifo中獲取transaction發(fā)送給Intcon-master-driver。Intcon-master-driver將transaction轉(zhuǎn)化后驅(qū)動至VI上。

從機(jī)的transaction接收方式與單Master-單Slave情況相同。

驗(yàn)證平臺的Intcon-driver的功能總結(jié)如下:① 從Intcon-slave-fifo中獲取transaction并將其推入一個內(nèi)部隊(duì)列;② 按照輪詢的方式處理內(nèi)部隊(duì)列中的每個transaction;③ 獲取內(nèi)部隊(duì)列中每個transaction即將路由的端口;④ 將處理后的transaction按照各自的路由端口發(fā)送至對應(yīng)的Intcon-master-fifo。

1.2.2 Intcon-env仲裁設(shè)計(jì)

為解決多Master發(fā)送transaction時可能出現(xiàn)的競爭,設(shè)計(jì)了2種仲裁方式,即輪詢仲裁和固定優(yōu)先權(quán)仲裁,并將2種仲裁方式加入Port-cfg中,用戶可根據(jù)需求配置。TVALID信號和TREADY信號是AXI4-Stream協(xié)議中的一對握手信號,當(dāng)兩者均拉高時,完成一次傳輸。仲裁時,將主機(jī)側(cè)的TVALID信號視為請求信號,TVALID信號拉高代表主機(jī)有請求;將Intcon-env輸出的TREADY信號視為授權(quán)信號,TREADY信號拉高代表授予總線控制權(quán),完成握手過程。

輪詢仲裁首先設(shè)置一個默認(rèn)的主機(jī)curr-master并授予其總線控制權(quán)。Intcon-slave-monitor采樣所有主機(jī)接口上的TVALID信號,利用輪詢算法得到下一輪可能獲得總線控制權(quán)的主機(jī)next-master,并判斷next-master對Intcon-env是否有請求。若有請求,next-master即為下一個輪詢主機(jī),Intcon-slave-driver將next-master的TREADY信號拉高,Intcon-slave-monitor不斷采樣VI上的TREADY信號,當(dāng)采樣到TREADY信號被拉高后,更新curr-master的值從而進(jìn)行下一輪的輪詢判斷;若無請求,繼續(xù)循環(huán)直至找到有請求的next-master。若所有主機(jī)均無請求,則在預(yù)設(shè)時鐘周期內(nèi)繼續(xù)輪詢判斷,若在預(yù)設(shè)時間內(nèi)仍無主機(jī)發(fā)出請求,則停止輪詢仲裁。算法偽代碼如下:

Setting curr-master as the default master

Granting curr-master bus control

Sampling tvalid signal of all masters

for (i=0; i < num-masters; i++) do

next-master=(curr-master+i+1)% num-master

if (next-master.tvalid) then

identified-master=1

if (identified-master) then

drive tready of next-master to high

break;

end if

end if

end for

if (identified-master) then

sampling tready signal of next-master

while (curr-tready!=1) do

wait a clock

end while

if (curr-tready==1) then

prev-master=curr-master

curr-master=next-master

end if

else

continue to identify next-master in expected clock

if (identified-master !=1) then

stop

end if

end if

固定優(yōu)先權(quán)仲裁由Master權(quán)重值決定Intcon-env響應(yīng)順序,可通過Port-cfg設(shè)置每個Master的權(quán)重值,權(quán)重值越大,優(yōu)先權(quán)越高。首先用戶為每個主機(jī)分配一個權(quán)重值,并按照權(quán)重值大小進(jìn)行排序,排序后的主機(jī)索引值存入mstr-index數(shù)組中。Intcon-slave-monitor采樣所有主機(jī)接口的TVALID信號,按順序遍歷mstr-index數(shù)組從而獲取next-master,并判斷next-master對Intcon-env是否有請求。若有請求,Intcon-slave-driver將next-master的TREADY信號拉高并驅(qū)動至VI上, Intcon-slave-monitor不斷采樣VI上的TREADY信號,當(dāng)采樣到TREADY信號拉高后,更新curr-master的值從而進(jìn)行下一輪判斷;若無請求,處理方法與輪詢仲裁相同,不再贅述。算法偽代碼如下:

Sorting the master by weightage

Storing the master index value in an array

Sampling tvalid signal of all masters

for (i=0; i < num-masters; i++) do

next-master=mstr-index[i];

if (next-master.tvalid) then

identified-master=1

curr-master=next-master

if (identified-master) then

drive tready of next-master to high

break;

end if

end if

end for

if (identified-master) then

sampling tready signal of next-master

while (curr-tready!=1) do

wait a clock

end while

if (curr-tready==1) then

prev-master=curr-master

curr-master=next-master

end if

else

continue to identify next-master in expected clock

if (identified-master !=1) then

stop

end if

end if

1.3 自動化功能覆蓋率模型

為評估驗(yàn)證結(jié)果是否滿足預(yù)期要求,設(shè)計(jì)了一個可以自動統(tǒng)計(jì)功能覆蓋率的模型Coverage-model,通過覆蓋組實(shí)現(xiàn)覆蓋率的統(tǒng)計(jì)模型。根據(jù)協(xié)議的規(guī)范,提取要驗(yàn)證的功能點(diǎn),如主從設(shè)備的握手情況、transaction的各種屬性等特性,定義不同的覆蓋組,采樣數(shù)據(jù)流類型的覆蓋組代碼如下:

covergroup cg-xact-type@(stream-event)

STREAM-XACT-TYPE:coverpoint cov-xact-type{

bins byte-stream={axis-transaction::BYTE-STREAM};

bins sparse-stream={axis-transaction::SPARSE-STREAM};

……

bins user-stream={axis-transaction::USER-STREAM};}

endgroup

覆蓋組cg-xact-type的采樣事件stream-event在Master-monitor和Slave-monitor中觸發(fā),當(dāng)事件觸發(fā)后便開始收集覆蓋率。所有的功能覆蓋率均是自動收集,驗(yàn)證平臺的自動化程度大大提升。

1.4 驗(yàn)證平臺的可配置性與可重用性分析

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)配置類Sys-config與端口配置類Port-config為驗(yàn)證平臺提供了靈活的可配置性,如利用Sys-config可設(shè)置總線最大延時時間、仲裁類型等,利用Port-config可設(shè)置TDATA數(shù)據(jù)寬度、TREADY默認(rèn)值等。用戶可根據(jù)需求利用Sys-config和Port-config對驗(yàn)證平臺參數(shù)進(jìn)行修改。

驗(yàn)證平臺的可重用研究項(xiàng)目包括可重用的驗(yàn)證組件、可重用的序列sequence、可重用的測試用例以及可重用的驗(yàn)證平臺4種。驗(yàn)證組件的重用主要是在基類中定義組件的公共函數(shù)或方法,在派生類中實(shí)現(xiàn)自身特定的功能,如在設(shè)計(jì)的驗(yàn)證平臺中定義了一個父類Slave-agent,Intcon-env里直接從Slave-agent派生出子類Intcon-slave-agent,增加仲裁機(jī)制即可,其余函數(shù)和方法直接重用父類。

sequence的重用主要是繼承重用,繼承重用指從已構(gòu)建的父類sequence中直接派生一個子類sequence進(jìn)行重用,或者通過修改或添加新的控制屬性生成新的子類sequence進(jìn)行重用[9],如定義一個父類Master-sequence,在Master-sequence中的pre-body()任務(wù)中執(zhí)行raise-objection,在post-body()中執(zhí)行drop-objection,其他的sequence均可從Master-sequence派生,根據(jù)不同的功能添加不同的控制屬性即可。

每個測試用例都包含sequence,因此測試用例的可重用性反映在sequence的重用中。

驗(yàn)證平臺的可重用性如圖4所示,DUT為待測設(shè)計(jì)(design under test)。

當(dāng)進(jìn)行模塊級AXI4-Stream接口驗(yàn)證時,所設(shè)計(jì)的驗(yàn)證平臺可直接重用;當(dāng)進(jìn)行子系統(tǒng)級或系統(tǒng)級AXI4-Stream接口驗(yàn)證時,只需更改接口模塊即可重用整個驗(yàn)證平臺,如圖4中灰色區(qū)域的驗(yàn)證。

圖4 可重用驗(yàn)證平臺原理圖

2 驗(yàn)證結(jié)果與分析

2.1 測試用例

驗(yàn)證的輸入為測試激勵,需要根據(jù)AXI4-Stream協(xié)議設(shè)計(jì)大量不同的測試用例,以滿足預(yù)定的功能驗(yàn)證需求。驗(yàn)證時需要根據(jù)AXI4-Stream的outstanding傳輸、間插操作等特性設(shè)計(jì)各種測試用例。所設(shè)計(jì)的驗(yàn)證平臺共包含3種測試用例類型,即約束隨機(jī)測試、基礎(chǔ)測試及直接測試。在約束隨機(jī)測試中,transaction通過自身定義約束使得驗(yàn)證朝向合理的狀態(tài)空間[10];在約束隨機(jī)測試基礎(chǔ)上,根據(jù)AXI4-Stream協(xié)議的各個功能點(diǎn),如傳輸類型、transaction的各種屬性等,繼續(xù)向transaction添加額外的約束從而形成基礎(chǔ)測試;對于約束隨機(jī)測試和基礎(chǔ)測試未覆蓋到的功能點(diǎn),根據(jù)覆蓋率報(bào)告修改約束形成新的直接測試用例,繼續(xù)測試直至功能覆蓋率達(dá)100%。以發(fā)送數(shù)據(jù)零延時說明default-sequence的具體結(jié)構(gòu),核心代碼如下:

`uvm-do-on-with (req,master-sequencer,

{for each (tvalid-delay)

tvalid-delay[i]==0;

})

2.2 驗(yàn)證結(jié)果與分析

驗(yàn)證階段的輸出為仿真報(bào)告,包括仿真日志和覆蓋率報(bào)告,仿真日志用于記錄仿真過程中是否有異常情況,覆蓋率報(bào)告記錄了設(shè)計(jì)功能的遍歷情況。為保證所設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺的正確性,將驗(yàn)證平臺配置為圖1所示的單Master-單Slave自測試結(jié)構(gòu)。為保證所設(shè)計(jì)Intcon-env的正確性,將Intcon-env作為DUT,驗(yàn)證平臺配置為圖2所示的多Master-多Slave自測試結(jié)構(gòu),例化出5個主機(jī)和5個從機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。為進(jìn)一步測試所設(shè)計(jì)的驗(yàn)證平臺可用于驗(yàn)證任何帶有AXI4-Stream接口的驗(yàn)證平臺,驗(yàn)證了一個實(shí)際的商用IP——Fifo-generator,連接方式如圖5所示。圖5中,灰色區(qū)域代表DUT。

3次驗(yàn)證覆蓋率報(bào)告如圖6～圖8所示,統(tǒng)計(jì)的覆蓋率結(jié)果見表1、表2所列。

由圖6～圖8可知,單Master-單Slave自測試共包含49個覆蓋組;多Master-多Slave增加了輪詢仲裁、固定優(yōu)先權(quán)仲裁等功能,覆蓋組增加到53個;Fifo-generator支持5種流數(shù)據(jù)傳輸及outstanding傳輸,但不支持間插傳輸,共包含47個覆蓋組。

由表1可知,3次驗(yàn)證3種測試總功能覆蓋率均達(dá)到100%。由表2可知,在約束隨機(jī)測試和基礎(chǔ)測試2種測試后,覆蓋率未達(dá)到100%,還存在一部分覆蓋點(diǎn)未覆蓋到,如表2中的cg-cross-type-tid,查看覆蓋率報(bào)告發(fā)現(xiàn),type為continuous-unaligned-stream類型、tid為32～47的范圍未覆蓋到,因此修改transaction的約束,重新控制type和tid形成直接測試用例繼續(xù)測試,直至覆蓋率均達(dá)到100%。

圖5 Fifo-generator驗(yàn)證結(jié)構(gòu)

圖6 單Master-單Slave自測試部分覆蓋率報(bào)告

圖7 多Master-多Slave自測試部分覆蓋率報(bào)告

圖8 Fifo-generator驗(yàn)證部分覆蓋率報(bào)告

表1 3種測試用例覆蓋率結(jié)果 %

表2 約束隨機(jī)測試和基礎(chǔ)測試的部分覆蓋率報(bào)告

3 結(jié) 論

本文基于UVM開發(fā)了一個可自動統(tǒng)計(jì)功能覆蓋率的AXI4-Stream驗(yàn)證平臺,通過約束隨機(jī)測試、基礎(chǔ)測試及直接測試使其功能覆蓋率達(dá)100%,仿真結(jié)果表明該驗(yàn)證平臺功能正確,可用于驗(yàn)證任何帶有AXI4-Stream接口的設(shè)計(jì)或包含該接口的SoC系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的驗(yàn)證平臺具有很強(qiáng)的可配置性與可重用性,靈活性較強(qiáng),當(dāng)投入新一輪驗(yàn)證工作時,大量代碼可以重用,大大減少了驗(yàn)證人員開發(fā)驗(yàn)證平臺的周期,具有一定的工程意義和實(shí)用價值。