0 引言

　　隨著片上系統(tǒng)(System on Chip，SoC)設(shè)計(jì)復(fù)雜度的增加，驗(yàn)證過(guò)程也變得更加復(fù)雜。傳統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法是在軟硬件劃分之后，軟件和硬件同步進(jìn)行設(shè)計(jì)，直到硬件(指芯片或開(kāi)發(fā)板)完成后才可以與軟件集成測(cè)試；如果此時(shí)發(fā)現(xiàn)軟件或者硬件設(shè)計(jì)中存在缺陷需要重新修改設(shè)計(jì)時(shí)，勢(shì)必增加設(shè)計(jì)周期，影響產(chǎn)品的上市時(shí)間。所以，當(dāng)前迫切需要一種在硬件流片之前，便可以對(duì)SoC設(shè)計(jì)進(jìn)行軟硬件協(xié)同驗(yàn)證的方法。混合原型驗(yàn)證便是很好的解決方案。

　　混合原型驗(yàn)證是虛擬原型與硬件原型相結(jié)合的一種驗(yàn)證技術(shù)，通常情況下，SoC設(shè)計(jì)由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成，硬件設(shè)計(jì)主要采用寄存器傳輸級(jí)(Register Transfer Level，RTL)代碼實(shí)現(xiàn)，軟件設(shè)計(jì)主要在中央處理器(Central Process Unit，CPU)中實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)加載Linux內(nèi)核、編譯驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序來(lái)控制硬件與外界進(jìn)行交互。混合原型驗(yàn)證是兩者功能相結(jié)合的一種驗(yàn)證方法，可以進(jìn)行軟硬件協(xié)同開(kāi)發(fā)與調(diào)試。下面介紹混合原型驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，并以UART IP核為例，詳細(xì)闡述其驗(yàn)證過(guò)程和驗(yàn)證結(jié)果，為IP核設(shè)計(jì)用戶提供一種新型的驗(yàn)證方案。

1 混合原型驗(yàn)證平臺(tái)

　　如圖1所示，混合原型驗(yàn)證平臺(tái)由硬件平臺(tái)和虛擬平臺(tái)兩部分組成，兩者之間通過(guò)高速接口Transactors(XACTOR)互聯(lián)。其中硬件平臺(tái)基于HAPS(High-performance ASIC Prototyping System，HAPS)原型驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，平臺(tái)中有一款容量高達(dá)450萬(wàn)門的Virtex-6 LX760 FPGA(Filed Programmable Gate Array)，可以為用戶提供較大容量的RTL驗(yàn)證；虛擬平臺(tái)主要由一套完善的開(kāi)發(fā)工具包組成，在添加虛擬模型時(shí)，通過(guò)引入已經(jīng)搭建好的虛擬軟件開(kāi)發(fā)包，為軟件開(kāi)發(fā)人員將虛擬原型演變?yōu)橐惶赚F(xiàn)成可用的參考開(kāi)發(fā)工具[1]；XACTOR接口通過(guò)高速總線UMRBus(Universal Multi-Resource Bus)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]，UMRBus是一種高性能、低延時(shí)通信總線，它能為所有板載FPGA、存儲(chǔ)器、寄存器和其他資源提供連接功能，其傳輸協(xié)議基于AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

　　1.1 硬件平臺(tái)

　　HAPS原型驗(yàn)證系統(tǒng)由一套HAPS-61高性能ASIC原型驗(yàn)證平臺(tái)和一套復(fù)雜的支撐軟件組成，支撐軟件包括：Certify FPGA代碼分割工具、Synplify FPGA綜合工具、Xilinx ISE布局布線工具、Confpro下載工具以及Identify在線調(diào)試工具。HAPS-61原型驗(yàn)證系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括：容納高達(dá)450萬(wàn)門的門級(jí)電路；843個(gè)用戶I/O接口；12個(gè)外部差分時(shí)鐘輸出；一個(gè)100 MHz的晶振，2個(gè)PLLs能夠產(chǎn)生高達(dá)700 MHz的時(shí)鐘頻率；可配置的電源網(wǎng)絡(luò)；高速UMRBus數(shù)據(jù)傳輸。

　　1.2 虛擬平臺(tái)

　　與傳統(tǒng)RTL級(jí)驗(yàn)證相比，虛擬平臺(tái)的驗(yàn)證建立在電子系統(tǒng)級(jí)(Electronic System Level，ESL)之上，運(yùn)用SystemC庫(kù)和TLM 2.0標(biāo)準(zhǔn)，可以進(jìn)行快速的系統(tǒng)建模，仿真速度比RTL高很多。虛擬平臺(tái)是由一套虛擬軟件開(kāi)發(fā)包(Virtualizer Development Kits，VDK)組成，可以提供軟件的調(diào)試、分析和仿真功能，憑借ARM Cortex處理器的高性能模型、基于AMBA協(xié)議的總線以及DesignWare IP，開(kāi)發(fā)者可以方便地將其基于ARM處理器的設(shè)計(jì)分割到虛擬平臺(tái)和硬件平臺(tái)中。在虛擬平臺(tái)中單獨(dú)仿真時(shí)，通過(guò)搭建已經(jīng)驗(yàn)證好的TLM模型，用戶可以脫離硬件進(jìn)行仿真；在與硬件進(jìn)行協(xié)同仿真時(shí)，通過(guò)引入TLM Library，然后在TLM Creator中模擬PHY或測(cè)試設(shè)備，再把模擬好的I/O模型映射到基于FPGA的硬件原型HAPS上，最后通過(guò)HAPS端口連接真實(shí)的外部世界，從而實(shí)現(xiàn)軟件和硬件之間的協(xié)同開(kāi)發(fā)，加快了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

2 UART IP核混合驗(yàn)證方案

　　2.1 整體方案設(shè)計(jì)

　　為了驗(yàn)證已經(jīng)設(shè)計(jì)好的UART IP核，構(gòu)建如圖2所示的混合驗(yàn)證方案。圖中，中間部分為HAPS硬件平臺(tái)，包含了全部FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，其中UART IP核是自主設(shè)計(jì)的基于APB(Advanced Peripheral Bus)接口的待驗(yàn)證IP核，XACTOR是由本系統(tǒng)提供的接口IP，兩端分別通過(guò)APB總線連接UART IP核，再通過(guò)UMRBus高速總線連接虛擬平臺(tái)；Clock/Reset是由HAPS提供的時(shí)鐘和復(fù)位模塊。左半部分為虛擬平臺(tái)，通過(guò)基于標(biāo)準(zhǔn)TLM2.0的XACTOR接口，用戶可以訪問(wèn)硬件單元，從而實(shí)現(xiàn)基于事務(wù)級(jí)模型的協(xié)同仿真。虛擬平臺(tái)中事務(wù)級(jí)建模測(cè)試方法可以由2種方法實(shí)現(xiàn)：基于GFRBM(Generic File Reader Bus Master)模式的Testbench輸入和基于Linux內(nèi)核的UART驅(qū)動(dòng)加載，分別可以對(duì)硬件RTL中的寄存器讀寫功能和IP核數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行測(cè)試。右半部分為連接RS-232串口的超級(jí)終端，通過(guò)Minicom工具來(lái)觀測(cè)IP核數(shù)據(jù)收發(fā)的正確性，進(jìn)而協(xié)助虛擬平臺(tái)完成整個(gè)系統(tǒng)驗(yàn)證[3]。

　　2.2 UART IP核設(shè)計(jì)

　　2.2.1 UART協(xié)議

　　UART接口是計(jì)算機(jī)串行通信廣泛使用的接口，包含了RS-232、RS-422、RS-485等串口。本設(shè)計(jì)采用Verilog來(lái)開(kāi)發(fā)符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的UART IP核。UART傳輸只需要兩條信號(hào)線（RXD，TXD）就可以完成數(shù)據(jù)的相互通信，接收與發(fā)送是全雙工實(shí)現(xiàn)。其工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個(gè)字符進(jìn)行編碼，一位接著一位的傳輸，傳輸?shù)乃俾视刹ㄌ芈蕰r(shí)鐘控制[4]。其中各比特的意義如圖3所示。

　　起始位：低電平信號(hào)發(fā)起，表示傳輸字符開(kāi)始；

　　數(shù)據(jù)位：起始位后緊接著數(shù)據(jù)位，位數(shù)由7~8位構(gòu)成一個(gè)字符，由時(shí)鐘控制從低位開(kāi)始傳送；

　　奇偶校驗(yàn)位：數(shù)據(jù)位加上這一位后，得出“1”的位數(shù)為偶數(shù)或者奇數(shù)，以此來(lái)校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性；

　　停止位：可以是1位、1.5位、2位的高電平，是一個(gè)數(shù)據(jù)幀結(jié)束的標(biāo)志；

　　空閑位：處于高電平狀態(tài)，表示當(dāng)前線路上沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送，若空閑位后出現(xiàn)低電平，則表示下一個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始位。

　　2.2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

　　為了簡(jiǎn)化IP核設(shè)計(jì)，在具備基本異步串行收發(fā)功能的前提下，去掉了Modem控制器功能模塊。IP核內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由波特率發(fā)生模塊、線路狀態(tài)與控制模塊、接收模塊、發(fā)送模塊、接收FIFO模塊、發(fā)送FIFO模塊、中斷控制模塊等組成[5]。

　　各模塊之間的工作關(guān)系如下：當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，APB總線把數(shù)據(jù)寫入發(fā)送FIFO中，當(dāng)發(fā)送移位寄存器是空時(shí)，先由發(fā)送邏輯根據(jù)線路狀態(tài)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行配置，即在數(shù)據(jù)頭部加上起始位，在數(shù)據(jù)尾部加上奇偶校驗(yàn)位和停止位，然后把數(shù)據(jù)壓入到發(fā)送移位寄存器中，最后在發(fā)送時(shí)鐘的控制下，通過(guò)Data_out線把數(shù)據(jù)發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)時(shí)，在接收時(shí)鐘的控制下，串行數(shù)據(jù)通過(guò)Data_in線逐位送入接收移位寄存器中，當(dāng)檢測(cè)到停止位時(shí)，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)并送入接收FIFO模塊中，并被總線讀取，后面進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待下一次任務(wù)。

　　線路狀態(tài)與控制模塊通過(guò)地址選通信號(hào)鎖存片選信號(hào)和地址信號(hào)，當(dāng)片選信號(hào)有效時(shí)，鎖存讀、寫選通信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，進(jìn)行相關(guān)寄存器操作。

　　中斷控制模塊要求當(dāng)任何中斷發(fā)生時(shí)，中斷使能寄存器根據(jù)中斷優(yōu)先級(jí)的不同，允許對(duì)應(yīng)的中斷發(fā)生。UART IP核的中斷申請(qǐng)可以分為4個(gè)優(yōu)先級(jí)，從高至低的順序?yàn)椋篒NT0（接收器狀態(tài)錯(cuò)誤），INT1（接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好），INT2（發(fā)送器空），INT3（Modem控制中斷）。

　　2.2.3 構(gòu)建UART IP核的FPGA工程

　　設(shè)計(jì)完基于APB接口的UART IP核后，為使虛擬平臺(tái)能夠通過(guò)UMRBus總線訪問(wèn)IP核，需要把IP核添加到頂層文件包含UMRBus高速接口的FPGA工程中。該功能模塊是由例化的XACTOR實(shí)現(xiàn)，XACTOR是由本平臺(tái)提供的接口IP，主要通過(guò)AMBA協(xié)議實(shí)現(xiàn)軟件平臺(tái)與硬件平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)傳輸，每一個(gè)XACTOR由一個(gè)CAPIM（Client Application Interface Module）組成，系統(tǒng)總共提供了5類XACTOR供用戶使用：APB、AHB、AXI、GPIO、INT。用戶需要根據(jù)自己設(shè)計(jì)的IP核接口類型，選擇對(duì)應(yīng)的XACTOR添加到自己的工程中，然后修改相應(yīng)的端口、時(shí)鐘、reset信號(hào)等，從而產(chǎn)生包含UMRBus高速接口的FPGA工程。

　　2.3 虛擬平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　2.3.1 搭建虛擬平臺(tái)

　　本方案需要在虛擬平臺(tái)中創(chuàng)建虛擬模型，并分別搭建能夠?qū)τ布TL寄存器讀寫功能測(cè)試和對(duì)IP核數(shù)據(jù)傳輸功能測(cè)試的虛擬平臺(tái)。其中，對(duì)硬件RTL寄存器讀寫功能測(cè)試的虛擬平臺(tái)如圖5所示。圖中，i_GFRBM_TLM2作為事件發(fā)起方(Initiator)，通過(guò)連接tlm2bus總線，可以與硬件平臺(tái)進(jìn)行操作；i_ClockGenerator是虛擬時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，為總線和Initiator提供時(shí)鐘單元；i_ResetGenerator是虛擬模型復(fù)位模塊，提供系統(tǒng)的復(fù)位功能；i_TlmTarget2UmrAMBA和i_IntInitiator2Umr是基于SystemC實(shí)現(xiàn)的并與硬件CAPIM相對(duì)應(yīng)的XACTOR，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的TLM2.0 Socket接口，實(shí)現(xiàn)軟件平臺(tái)與硬件平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互功能。

　　2.3.2 設(shè)計(jì)腳本

　　虛擬平臺(tái)搭建完成后，需要在i_GFRBM_TLM2中寫入測(cè)試腳本訪問(wèn)硬件寄存器，以測(cè)試IP核寄存器設(shè)計(jì)是否正確。在GFRBM模式下，Testbench采用標(biāo)準(zhǔn)的STL 2.0(Socket Transactor Language)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，STL是由OCPIP(Open Core Protocol International Partnership)組織提出的標(biāo)準(zhǔn)Socket語(yǔ)言，主要由3個(gè)不同的子集組成：

　　(1)Basic commands：基于單指令任務(wù)的控制傳輸模式；

　　(2)Macro statements：采用短指令的突發(fā)傳輸序列；

　　(3)Behavioral statements：用戶自定義控制指令。

　　根據(jù)本設(shè)計(jì)需要，UART IP核可以被訪問(wèn)的寄存器名字和地址如表1所示。

　　可訪問(wèn)的寄存器確定完成后，采用STL語(yǔ)言編寫測(cè)試腳本，示例如圖6所示。

3 驗(yàn)證過(guò)程與結(jié)果分析

　　混合原型驗(yàn)證方案中，對(duì)IP核進(jìn)行混合驗(yàn)證之前，首先需要使用仿真器對(duì)RTL代碼進(jìn)行仿真。當(dāng)仿真通過(guò)之后，才可以在硬件平臺(tái)上進(jìn)行混合原型驗(yàn)證。硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，首先采用Certify工具進(jìn)行代碼分割，再使用Synplify工具進(jìn)行代碼綜合，然后使用ISE工具進(jìn)行布局布線并產(chǎn)生可加載的.bin文件，最后使用Confpro工具配置硬件系統(tǒng)。當(dāng)硬件系統(tǒng)配置完成后，按照?qǐng)D2所示的方式進(jìn)行連接，并啟動(dòng)虛擬平臺(tái)開(kāi)始混合原型驗(yàn)證。

　　3.1 寄存器讀寫功能測(cè)試

　　在虛擬平臺(tái)中通過(guò)GFRBM模式對(duì)UART IP核進(jìn)行寄存器讀寫訪問(wèn)時(shí)，參照2.3.1節(jié)中搭建的虛擬平臺(tái)和2.3.2節(jié)中給出的測(cè)試腳本，分別采用固定值讀寫和隨機(jī)數(shù)讀寫兩種方式測(cè)試寄存器，結(jié)果如下：

　　(1)固定值讀寫測(cè)試：分別對(duì)表1給出的寄存器寫入固定值0x0000、0x5555、0xaaaa、0xffff，然后讀取該寄存器的值。經(jīng)對(duì)比，讀出值與寫入值完全一致。

　　(2)隨機(jī)值讀寫測(cè)試：分別對(duì)表1給出的寄存器寫入隨機(jī)值$random, 然后讀取該寄存器的值。經(jīng)對(duì)比，讀出值與寫入值完全一致。

　　3.2 UART數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

　　與寄存器讀寫功能測(cè)試不同，在測(cè)試UART IP核的傳輸功能時(shí)，首先仿照2.3.1節(jié)的方法，構(gòu)建包含處理器IP核模型的虛擬平臺(tái)，然后在虛擬平臺(tái)中加載ARM?誖CortexTM處理器IP模型，并編譯UART軟件環(huán)境，包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)以及應(yīng)用程序等。測(cè)試時(shí)，首先在虛擬平臺(tái)中對(duì)IP核進(jìn)行傳輸配置，包括傳輸速率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)等，并把發(fā)送數(shù)據(jù)通過(guò)IP核發(fā)送到TXD端口，再通過(guò)串口傳送到上位機(jī)超級(jí)終端進(jìn)行顯示；接收數(shù)據(jù)時(shí)，超級(jí)終端發(fā)送數(shù)據(jù)至IP核的RXD端口，虛擬平臺(tái)讀取IP核接收的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)在虛擬平臺(tái)中打印出來(lái)，從而確定IP核傳輸功能的正確性。下面分別采用單端發(fā)送和回環(huán)傳輸兩種方法進(jìn)行測(cè)試。

　　(1)單端發(fā)送測(cè)試：即從虛擬平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)UART IP核傳送至超級(jí)終端Minicom，在Minicom中顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確。虛擬平臺(tái)中，對(duì)UART IP核數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議配置如下：傳輸速率9 600 b/s、8 bit數(shù)據(jù)、無(wú)校驗(yàn)位、1 bit停止位，同樣在Minicom中配置相同的傳輸參數(shù)。經(jīng)測(cè)試，Minicom接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)完全一致。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

　　(2)回環(huán)測(cè)試：即從虛擬平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)UART IP核傳送至Minicom，Minicom接收到數(shù)據(jù)后，再把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至UART IP核，虛擬平臺(tái)讀取IP核接收的數(shù)據(jù)，然后在虛擬平臺(tái)顯示窗口進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)比，以此確定回環(huán)傳輸?shù)恼_性。同樣在虛擬平臺(tái)和Minicom中配置如下參數(shù)：傳輸速率9 600 b/s、8 bit數(shù)據(jù)、無(wú)校驗(yàn)位、1 bit停止位。經(jīng)測(cè)試，虛擬平臺(tái)接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)完全一致，從而確定整個(gè)通路傳輸是正確的。

4 結(jié)論

　　本文介紹了基于虛擬平臺(tái)與硬件平臺(tái)相結(jié)合的混合原型驗(yàn)證技術(shù)，并以UART IP核為例，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由于采用了混合原型驗(yàn)證技術(shù)，使得SoC設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)早期便可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的缺陷或故障，進(jìn)而改進(jìn)系統(tǒng)的功能和性能，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。另外，本方案開(kāi)發(fā)的IP核完全采用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)，移植性好，其接口采用標(biāo)準(zhǔn)的APB總線接口協(xié)議，所以不需要用戶進(jìn)行修改，便可很好地應(yīng)用于SoC設(shè)計(jì)中，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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