隨著系統芯片(SoC)設計的體積與復雜度持續升高，驗證作業變成了瓶頸：占了整個SoC研發過程中70% 的時間。因此，任何能夠降低驗證成本并能更早實現驗證sign-off的方法都是眾人的注目焦點。
臺灣工業技術研究院 (工研院, ITRI) 在今年的設計自動化大會(2011 DAC)提出的案例研究，提出一種能夠顯著提升客制化FPGA原型板驗證效率的創新方法，自動化現有的電路仿真(in-circuit emulation)偵錯功能，并提供更高的FPGA能見度。這個以FPGA為基礎的SoC驗證平臺對工研院而言是前景看好的嶄新領域，對其支持臺灣IC設計產業新技術領域的研發工作助益良多。
案例研究：高效能的多媒體SoC平臺
這款SoC設計是高效能的Android兼容多媒體SoC平臺。配置了AXI、AHB與APB總線，供通訊使用；由工研院(PACDSPs、EMDMA 與 DDR2控制器)設計的高效能客制化IP組件連結至AXI 總線，加速H.264視訊編譯碼器(video codec)等多媒體應用軟件的執行。包括ARM、SDRAM、DMA、SRAM、Ethernet與LCD在內的標準IP組件連結至AHB總線，適合于一般應用。最后，UART、Timer、I2S、I2C與Watchdog等低頻率的IP區塊(block)則連結至APB總線。
下列案例研究說明了工研院與思源科技工程師如何合作，使用思源科技ProtoLink Probe Visualizer，克服工研院SoC設計中出現的驗證挑戰。這個與音效功能相關的問題是：在 FPGA原型板未激活OS的狀況下，功能正常運作 (可錄音與播放)；但如果在原型板上啟用Linux，功能就無法正常運作。在FPGA原型環境中，要使用傳統的偵錯方法排除這類問題是相當困難的。FPGA的能見度僅局限在少數的訊號與時脈周期內，無法提供足夠的信息找出錯誤所在。而因為激活OS(例如 Linux)耗費的時間相當長，想透過緩存器轉換階層(RTL) 仿真來解決問題也行不通。由于問題的成因可能在于軟件、硬件或驅動程序，因此要確實找出問題的根本原因是一項考驗。
與眾不同的作法
要簡化偵錯作業，就需要更高效率的驗證方法。ProtoLink Probe Visualizer是新的原型驗證環境，采用以軟件為基礎的方法，可以從RTL設計階段開始到最終的設計實現階段，都提供高水平的設計能見度，可全面加速偵錯作業的進行。
工研院起初擔心其客制化原型板可能無法符合思源科技ProtoLink Probe Visualizer的接口需求，而思源科技工程師在進行幾項快速測試之后，證明工研院客制化原型板上的標準 J連接器可順利地與執行Probe Visualizer軟件的工作站連結。只需在原型板上新增鎖相回路(PLL)，提供所需的取樣時脈(sampling clock)即可。FPGA的設置流程相當簡單，可輕松整合至現有的程序(script) 中，自動選取大約100個探測訊號(probed signal)，就能見度來說，已比過去的方法提升6倍之多。此外，所有的探測資料都可儲存在外接的2GB探測訊號內存中而不占用FPGA資源，真正額外需要的探測邏輯(probe logic)也僅占用FPGA的2%，可說相當的少。外接內存的資料容量可儲存充足長度的時脈周期，讓工程師能夠確實掌握軟件、硬件與驅動程序間的關系。
工研院團隊透過思源科技Verdi自動偵錯系統的進階觀察、追蹤與分析功能，來使用儲存的探測資料進行偵錯作業。在經過多次重復偵錯之后，發現了兩個問題：1) USB中斷 (USB interrupt)長時間鎖住ARM，因此I2S內的FIFO是空的，因而造成問題； 2)定時中斷(Timer interrupt)的優先級高于DMA中斷，因此再一次造成I2S內的FIFO是空的。工研院工程師使用思源科技軟件的偵錯功能，進一步分析設計行為，僅管表現出來是共通的錯誤征兆，工程師還是能夠迅速發現這些錯誤的根本成因是源于兩種不同的情況。
此外，觀察額外的關鍵訊號是偵錯時必需的，但這些訊號多半不在原始探測清單中。工研院工程師透過Probe Visualizer迅速的探測ECO流程，在10分鐘內就可新增10個新訊號，而且不用重新編譯整個設計。相對傳統的偵錯方法需要在RTL拖曳新訊號，并且針對這個特定的設計重新執行合成(synthesis )以及布局與繞線作業，約需花上2至3個小時，因此這方面的革新省下了大量的時間。
工程師能夠輕松地將 所需額外的RTL探測訊號由Verdi偵錯環境拖曳至Probe Visualizer。這套系統會自動建立RTL至邏輯閘層(RTL-to-gate level)的訊號對應關系,所以可直接在 FPGA 布局與繞線檔案上迅速執行部份繞線作業來看到新增的探測訊號，大幅縮短偵錯作業時間，所以能在短時間內處理多重偵錯工作階段 (debug session)。而對設計中使用的“黑盒子”IP區塊，也只需EDIF名稱，就可以進行探測ECO流程。
評估結果
工研院工程師在修正問題并成功試產設計之后，檢討了項目實際耗費的時間，并評估了這個新的FPGA SoC原型驗證方法的成果。
進行RTL設計、仿真、通訊協議驗證與FPGA設計實現的時間約為2個月。在驅動程序移植(driver porting )上所花費的時間則短了許多，大約只有2個星期。工程師隨后又花了2個月的時間進行驗證作業，試圖透過硬件邏輯分析器檢查 FPGA 內部訊號解決音效問題，同時也在音效驅動程序中增加觀察點，以連結并企圖找出問題。這種傳統的FPGA偵錯方法，需要的時間和設計研發的時間一樣長，然而對工研院團隊而言，相當令人沮喪的是結果仍然一無所獲。不過，在經過思源科技提供的應用軟件教育訓練/支持課程及一星期的實作經驗后，工研院工程師使用ProtoLink Probe Visualizer，在短短一星期的時間內就厘清了兩大問題！
對工研院而言，ProtoLink Probe Visualizer是一種相當有效的FPGA原型板偵錯方法。工程師再也不必局限在傳統的偵錯方法，而且在實時應用軟件中增加觀察點也可能會造成其它問題。透過維持原有軟件并監測更多FPGA訊號在數百萬時脈周期內的實時RTL行為，使用者可以獲得所需的能見度，更完美的掌握、更輕松地偵錯設計的問題。
總合來說，思源科技Probe Visualizer透過以軟件為基礎的創新方法，改變了原型板驗證的方法，實現豐富、實時的設計能見度，并且讓原型板能使用Verdi的偵錯威力，使原型板偵錯時間比傳統的方法大幅縮短一半。這種偵錯作業生產力與整體驗證效率的提升，不僅能協助工研院在更早期的SoC研發流程中配置FPGA原型，并且能迅速移轉至搭載最新FPGA技術的新一代原型板上，充分運用最新FPGA技術的優勢。
關于作者
茅華為思源科技 ProtoLink 產品線資深處長。茅華擁有臺灣新竹國立交通大學電子工程學系理科碩士與學士學位。電子郵件信箱：howard_mao@springsoft.com
陳奕帆為工研院資通所設計流程研發部門技術副理。陳奕帆擁有臺灣臺中國立中興大學電機工程學系理科碩士學位。電子郵件信箱：vext@itri.org.tw
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