一種高效率可重構(gòu)的CPU驗(yàn)證平臺

劉春銳，張宏奎，黃旭東，陳振嬌

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫214072）

1 引言

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字集成電路的規(guī)模不斷增大，功能不斷增強(qiáng)，這給完備性驗(yàn)證帶來了更大的挑戰(zhàn)[1]。在CPU芯片的設(shè)計(jì)中，高效和完備的功能驗(yàn)證已成為CPU可靠性的重要依據(jù)[2]，為了全面驗(yàn)證CPU的功能，驗(yàn)證工程師通常需要編寫成千上萬條驗(yàn)證用例[3]，并且需要逐一運(yùn)行測試并分析結(jié)果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，驗(yàn)證時間通常占到處理器芯片研發(fā)流程的60%以上[4]。如果完全采用人工的方法分析和查錯，驗(yàn)證效率極低，正確性難以保證，驗(yàn)證周期長且驗(yàn)證完成時間無法預(yù)估。因此，一個快速、完備、系統(tǒng)的功能驗(yàn)證平臺對于CPU的設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要，可有效縮短芯片設(shè)計(jì)周期并提高設(shè)計(jì)質(zhì)量[5]。除此之外，由于CPU指令多，指令組合場景多，驗(yàn)證用例非常龐大，除了驗(yàn)證平臺外，通過編寫自動化腳本，批量構(gòu)建用例和統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果，對提高整個驗(yàn)證效率也是至關(guān)重要的[6]。本文提出了一種高效率可重構(gòu)的CPU驗(yàn)證平臺，可通過自動化腳本構(gòu)建用例和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，通過代碼覆蓋率標(biāo)志驗(yàn)證結(jié)束。

2 驗(yàn)證平臺結(jié)構(gòu)

高效率可重構(gòu)的CPU驗(yàn)證平臺采用了模塊化結(jié)構(gòu)，具有更強(qiáng)的可重復(fù)使用性和可移植性，有效提高了驗(yàn)證效率，縮短了芯片驗(yàn)證周期[7]。不同指令集架構(gòu)可以使用驗(yàn)證平臺設(shè)計(jì)思路修改參考模型后即可重復(fù)使用。另外，該設(shè)計(jì)平臺提供了自動調(diào)試功能，自動比較CPU執(zhí)行指令的結(jié)果值和參考模型執(zhí)行指令的結(jié)果值，為分析、調(diào)試和定位錯誤提供了有效的手段，可以大大提高設(shè)計(jì)迭代效率。CPU驗(yàn)證平臺由驗(yàn)證用例生成模塊、匯編器模塊、CPU模塊、參考模型模塊、結(jié)果比較模塊、參考模型監(jiān)視模塊、CPU監(jiān)視模塊、程序RAM和數(shù)據(jù)RAM構(gòu)成，該驗(yàn)證平臺可以實(shí)現(xiàn)從驗(yàn)證程序開發(fā)到驗(yàn)證結(jié)果查錯的整個流程，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CPU驗(yàn)證平臺結(jié)構(gòu)

2.1 CPU模塊

CPU模塊是驗(yàn)證平臺的驗(yàn)證主體，本文的CPU為基于TI指令集架構(gòu)的某CPU微處理器，該CPU微處理器的特性如下：

1）哈佛結(jié)構(gòu)；

2）8級流水線結(jié)構(gòu)；

3）單發(fā)射順序執(zhí)行；

4）支持32 bit單精度浮點(diǎn)計(jì)算；

5）支持32 bit定點(diǎn)計(jì)算；

6）指令長度支持16 bit和32 bit兩種。

2.2 驗(yàn)證用例生成模塊

一般CPU的流水線結(jié)構(gòu)包括取指、譯碼、訪存、執(zhí)行和寫回等階段，其中指令便是CPU的輸入源。為驗(yàn)證CPU的功能，需要編寫指令并將其加載到CPU的程序RAM，然后啟動CPU，CPU讀取程序RAM中的指令并運(yùn)行指令，最后根據(jù)CPU的指令執(zhí)行結(jié)果驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

為完備驗(yàn)證CPU的功能，在開發(fā)CPU的驗(yàn)證用例前，需要分析CPU的特性，根據(jù)CPU的特性進(jìn)一步將其分解成功能測試點(diǎn)，形成驗(yàn)證規(guī)格表，驗(yàn)證人員據(jù)此開發(fā)驗(yàn)證用例覆蓋所有的測試點(diǎn)。由于CPU指令多，CPU相關(guān)流水線結(jié)構(gòu)沖突和數(shù)據(jù)沖突場景多，驗(yàn)證用例數(shù)量龐大，所以大部分驗(yàn)證用例通過驗(yàn)證用例生成模塊的自動化腳本批量生成，邊界驗(yàn)證用例由人工編寫生成。為全面覆蓋CPU的功能，驗(yàn)證用例采用匯編代碼編寫，通過驗(yàn)證用例生成模塊生成后綴為.asm的匯編驗(yàn)證用例。

驗(yàn)證用例生成模塊主要由生成驗(yàn)證用例的Perl（Practical Extraction and Report Language）[8]腳本構(gòu)成。為保證生成的匯編驗(yàn)證用例的正確性，在Perl腳本中將CPU的每條指令均單獨(dú)構(gòu)建子函數(shù)，每個子函數(shù)使用編號命名，子函數(shù)內(nèi)部將該指令的限制用法單獨(dú)編程。以UI16TOF32指令為例，其子函數(shù)Perl腳本如下：

將待驗(yàn)證的超過400條CPU指令分類并逐條編寫Perl子函數(shù)，Perl主函數(shù)通過調(diào)用編號隨機(jī)的Perl子函數(shù)實(shí)現(xiàn)各指令間的隨機(jī)組合，并按照匯編格式生成匯編驗(yàn)證用例。

現(xiàn)有CPU驗(yàn)證平臺的驗(yàn)證用例通常使用C語言或者高級語言隨機(jī)生成，通過編譯器編譯后加載到CPU中進(jìn)行驗(yàn)證。使用高級語言編寫的驗(yàn)證用例由于編譯器的優(yōu)化，通常不能實(shí)現(xiàn)CPU內(nèi)部資源的高效利用，從而不能覆蓋到CPU數(shù)據(jù)相關(guān)沖突和流水線相關(guān)沖突的部分場景，造成CPU功能驗(yàn)證不全、功能覆蓋率難收斂的情況。本文使用自動化Perl腳本直接構(gòu)建匯編驗(yàn)證用例，而匯編驗(yàn)證用例會直接指定指令使用的CPU內(nèi)部資源，從而可以覆蓋到CPU數(shù)據(jù)相關(guān)沖突和流水線相關(guān)沖突的各種場景。這不僅提高了CPU驗(yàn)證的可靠性，而且由于無需使用編譯器編譯，提高了仿真效率，縮短了驗(yàn)證周期。

2.3 匯編器模塊

匯編驗(yàn)證用例構(gòu)建完成后，使用TI公司的CCS匯編器編譯，通過格式轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成Verilog代碼能識別的存儲器存儲文件，該存儲文件是后綴為.hex的程序機(jī)器碼文件。格式轉(zhuǎn)換器采用Perl語言編寫，可生成多種Verilog能夠識別的文件。

2.4 程序RAM

程序RAM內(nèi)部通過Verilog的$readmemh系統(tǒng)函數(shù)讀取后綴為.hex的存儲器文件，存入程序RAM中，CPU模塊通過存儲器接口讀取該程序RAM空間的程序數(shù)據(jù)。

2.5 數(shù)據(jù)RAM

數(shù)據(jù)RAM主要存儲CPU流水線訪存和回寫的數(shù)據(jù)。

2.6 參考模型模塊

參考模型模塊是針對CPU模塊提出的，參考模型模塊和CPU模塊是對產(chǎn)品特性的兩個獨(dú)立的實(shí)現(xiàn)，也就是說，參考模型模塊功能上與CPU模塊等價(jià)，但參考模型模塊與CPU模塊的設(shè)計(jì)不同，兩者區(qū)別如下。

1）輸入：參考模型模塊的輸入是匯編驗(yàn)證用例，而CPU模塊的輸入是存儲在程序RAM中的經(jīng)匯編器模塊編譯后的二進(jìn)制指令碼。

2）指令處理流程：參考模型模塊逐行讀取匯編驗(yàn)證用例中的指令，每條指令執(zhí)行完成后才會繼續(xù)讀取下一條匯編指令，而CPU模塊是基于流水線的設(shè)計(jì)，讀取當(dāng)前指令不需要上一條指令執(zhí)行完成。

3）運(yùn)算單元：參考模型使用SystemVerilog[9]語言完成指令的乘、加、移位等運(yùn)算，其具有接口、斷言、受約束的隨機(jī)化激勵等特點(diǎn)，能夠大幅提高測試效率，且具有較高的功能測試覆蓋率[10]，而CPU模塊的乘、加、移位等運(yùn)算是基于電路的設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述參考模型模塊和CPU模塊設(shè)計(jì)的主要區(qū)別，可以得出參考模型模塊的設(shè)計(jì)思想：逐行讀取匯編文件中的匯編指令，通過SystemVerilog字符串匹配技術(shù)完成匯編指令匹配，從而識別出匯編指令功能，然后實(shí)現(xiàn)指令功能。參考模型對指令的串行執(zhí)行方式巧妙地驗(yàn)證了CPU模塊的流水線相關(guān)沖突和數(shù)據(jù)相關(guān)沖突設(shè)計(jì)的正確性。同時，由于參考模型模塊和CPU模塊的運(yùn)算單元設(shè)計(jì)不一致，CPU模塊運(yùn)算單元的正確性也可以得到驗(yàn)證。參考模型的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 參考模型模塊設(shè)計(jì)流程

參考模型模塊的設(shè)計(jì)流程描述如下：

1）參考模型模塊使用Perl腳本讀入驗(yàn)證用例生成模塊產(chǎn)生的后綴為.asm的匯編驗(yàn)證用例，將匯編驗(yàn)證用例中的注釋去掉，并在匯編驗(yàn)證用例中的每行指令結(jié)束位置添加行結(jié)束標(biāo)志；

2）參考模型模塊讀入Perl腳本處理后的匯編驗(yàn)證用例，通過SystemVerilog的$feof系統(tǒng)任務(wù)判斷該驗(yàn)證用例是否結(jié)束，當(dāng)驗(yàn)證用例沒有被讀完時，轉(zhuǎn)步驟3，否則參考模型模塊的流程結(jié)束；

3）參考模型模塊使用$fscanf系統(tǒng)任務(wù)按字符讀取匯編驗(yàn)證用例，并存入指令字符數(shù)組中，然后通過步驟1添加的行結(jié)束標(biāo)志判斷該行指令是否結(jié)束，如果該行指令未結(jié)束，則重復(fù)步驟3，否則，跳轉(zhuǎn)至步驟4；

4）參考模型模塊讀取指令字符數(shù)組，通過字符串匹配功能識別匯編指令的操作碼和操作數(shù)，如MOV32 R0，R1，操作碼是MOV32，目的操作數(shù)是寄存器R0，源操作數(shù)是寄存器R1；

5）參考模型模塊根據(jù)步驟4識別出的指令功能和操作數(shù)執(zhí)行該指令，如MOV32 R0，R1，將寄存器R1的值送到R0中，然后開始下一條指令的讀取，跳轉(zhuǎn)至步驟2。

參考模型模塊對比驗(yàn)證CPU模塊的方式為：將驗(yàn)證用例生成模塊生成的同一驗(yàn)證用例送入?yún)⒖寄Ｐ湍K和CPU模塊，然后比較參考模型模塊和CPU模塊所有指令的執(zhí)行結(jié)果，如果參考模型模塊和CPU模塊的行為不一致，或者CPU模塊的功能實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)錯誤，或者參考模型模塊的功能實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)錯誤，或者兩者實(shí)現(xiàn)功能均出現(xiàn)錯誤，通過定位修改參考模型模塊和CPU模塊的錯誤。如果CPU模塊和參考模型模塊的行為一致，或者兩者都對，這是希望的結(jié)果；或者兩者犯同樣的錯誤，那么需要想辦法減小這種情況出現(xiàn)的可能性，比如參考模型模塊的設(shè)計(jì)人員不能為CPU模塊設(shè)計(jì)人員，或者引入第三方，例如VIP、FPGA[11]原型等。本文采用參考模型模塊設(shè)計(jì)人員不為CPU模塊設(shè)計(jì)人員的方法降低參考模型和CPU模塊設(shè)計(jì)同時出錯的可能性。

參考模型模塊是該驗(yàn)證平臺中最重要的組件，參考模型模塊是保證功能驗(yàn)證正確性的核心[12]，也是該驗(yàn)證平臺實(shí)現(xiàn)高效率和重構(gòu)優(yōu)勢的核心組件?，F(xiàn)有CPU驗(yàn)證平臺參考模型的設(shè)計(jì)基本分為兩類，一類是使用編譯器自帶的由高級語言編寫的軟件參考模型，軟件參考模型復(fù)雜難懂，某些軟件參考模型的核心代碼甚至是加密的，這增大了驗(yàn)證人員的調(diào)試難度。搭建基于軟件參考模型的驗(yàn)證平臺通常工作量大，人力投入高，且調(diào)試周期長。另一類是基于指令碼匹配技術(shù)設(shè)計(jì)的參考模型，該類參考模型通常會遵照CPU流水線時序編寫，其工作量與CPU設(shè)計(jì)工作量相當(dāng)，人力投入和調(diào)試周期依然較長。本文通過SystemVerilog的字符串匹配技術(shù)串行識別匯編文件，無需嚴(yán)格按照流水線時序設(shè)計(jì)，參考模型的工作量大大減少，人力投入和周期均減少，不僅提高了CPU的驗(yàn)證效率，而且縮短了驗(yàn)證周期。

2.7 CPU監(jiān)視模塊

CPU監(jiān)視模塊主要完成CPU模塊指令執(zhí)行結(jié)果的監(jiān)測功能，CPU模塊通常的指令執(zhí)行結(jié)果是修改CPU模塊內(nèi)部資源和數(shù)據(jù)RAM，CPU模塊內(nèi)部資源包括通用寄存器和輔助寄存器等，CPU監(jiān)視模塊主要將CPU模塊對寄存器和數(shù)據(jù)RAM的執(zhí)行結(jié)果打印到日志中。

2.8 參考模型監(jiān)視模塊

參考模型監(jiān)視模塊主要完成參考模型模塊指令執(zhí)行結(jié)果的監(jiān)測功能，參考模型模塊模擬CPU模塊的行為，參考模型模塊內(nèi)部的通用寄存器、輔助寄存器和數(shù)據(jù)RAM資源也同樣參照CPU模塊定義，參考模型監(jiān)視模塊主要是將參考模型模塊對寄存器和數(shù)據(jù)RAM的執(zhí)行結(jié)果打印到日志中。

2.9 結(jié)果比較模塊

結(jié)果比較模塊通過對比CPU監(jiān)視模塊和參考模型監(jiān)視模塊提供的指令運(yùn)行的打印結(jié)果，給出比較結(jié)果，幫助驗(yàn)證人員快速完成CPU驗(yàn)證結(jié)果的分析和判斷。

3 驗(yàn)證流程

本文采用Synopsys公司的VCS作為仿真工具，為實(shí)現(xiàn)批量驗(yàn)證，編寫了基于Perl的批處理程序，該程序可一次批量驗(yàn)證多個用例，并統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果，生成驗(yàn)證報(bào)告。批量驗(yàn)證流程如圖3所示。

圖3 批量驗(yàn)證流程

批量驗(yàn)證流程描述如下：

1）通過驗(yàn)證用例生成模塊批量生成驗(yàn)證用例，即后綴為.asm的匯編驗(yàn)證用例；

2）將匯編驗(yàn)證用例傳入?yún)R編器模塊，跳轉(zhuǎn)至第3步，將匯編驗(yàn)證用例傳入?yún)⒖寄Ｐ湍K，跳轉(zhuǎn)至第6步；

3）匯編器模塊將匯編驗(yàn)證用例編譯成指令碼之后，程序RAM將指令碼讀入RAM中；

4）CPU模塊讀取存在程序RAM中的指令碼指令，并執(zhí)行指令；

5）CPU的監(jiān)視模塊監(jiān)測CPU模塊的執(zhí)行結(jié)果，并將CPU模塊的執(zhí)行結(jié)果輸出；

6）參考模型模塊讀取驗(yàn)證用例生成模塊產(chǎn)生的匯編指令，并執(zhí)行指令；

7）參考模型監(jiān)視模塊監(jiān)測參考模型模塊的執(zhí)行結(jié)果，并將參考模型模塊的執(zhí)行結(jié)果輸出；

8）結(jié)果比較模塊比較參考模型的監(jiān)視模塊和CPU監(jiān)視模塊的輸出結(jié)果，如果結(jié)果一致，則輸出該驗(yàn)證用例測試通過的信息，否則輸出驗(yàn)證用例測試失敗的信息；

9）重新開始下一個驗(yàn)證用例的仿真驗(yàn)證，依次循環(huán)直到所有的驗(yàn)證用例全部運(yùn)行結(jié)束，批處理程序顯示本次批量驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)信息，并輸出驗(yàn)證用例通過或者失敗的信息；

10）所有驗(yàn)證用例仿真均通過后，收集并合并驗(yàn)證用例覆蓋率。

4 結(jié)果分析

運(yùn)用該功能驗(yàn)證平臺進(jìn)行了32位CPU的驗(yàn)證。根據(jù)該CPU的特性，分別驗(yàn)證了5類共計(jì)1044條驗(yàn)證用例，驗(yàn)證結(jié)果均通過，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 驗(yàn)證結(jié)果

除此之外，為保證驗(yàn)證的充分性，對所有驗(yàn)證用例進(jìn)行了代碼覆蓋率收集和合并。通過分析覆蓋率，定向構(gòu)造用例，提高驗(yàn)證的完備性。

本驗(yàn)證平臺的代碼覆蓋率結(jié)果如下。

1）行覆蓋率：CPU的行覆蓋率為100%。

2）翻轉(zhuǎn)覆蓋率：CPU的翻轉(zhuǎn)覆蓋率為99.81%，覆蓋率較低的原因是輸入和輸出數(shù)據(jù)信號的翻轉(zhuǎn)覆蓋率低，本文主要關(guān)注控制信號的翻轉(zhuǎn)覆蓋率，對不能達(dá)到100%的控制信號均進(jìn)行了分析，確認(rèn)是否是CPU不能進(jìn)入的值，對于CPU可能會翻轉(zhuǎn)的值，定向構(gòu)造用例，進(jìn)行覆蓋。

3）條件覆蓋率：CPU的條件覆蓋率為83.17%，未覆蓋的條件分支是設(shè)計(jì)中不會出現(xiàn)的分支。

4）狀態(tài)機(jī)覆蓋率：本文的DUT內(nèi)部無狀態(tài)機(jī)。

5）分支覆蓋率：CPU的分支覆蓋率為100%。

5 結(jié)束語

在CPU的設(shè)計(jì)中，高效和完備的功能驗(yàn)證已成為CPU是否可靠的重要參考依據(jù)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于SystemVerilog的CPU驗(yàn)證平臺，論述了驗(yàn)證平臺的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)流程和批量驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)方式。該驗(yàn)證平臺有較好的通用性和可移植性，對于不同的指令集架構(gòu)，稍加修改參考模型便可使用。該驗(yàn)證平臺已成功應(yīng)用于32位CPU芯片的功能驗(yàn)證，相比該CPU之前的驗(yàn)證方法，驗(yàn)證周期從預(yù)估的10個月縮短到3個月，大大提高了驗(yàn)證效率，縮短了CPU交付周期。另外，該設(shè)計(jì)平臺可以通過參考模型模塊和監(jiān)視模塊快速定位CPU的設(shè)計(jì)缺陷，縮短設(shè)計(jì)人員迭代開發(fā)的周期。