0 引言

　　隨著片上系統(tǒng)(System on Chip,，SoC)設(shè)計復(fù)雜度的增加,，驗證過程也變得更加復(fù)雜。傳統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法是在軟硬件劃分之后,，軟件和硬件同步進行設(shè)計,，直到硬件(指芯片或開發(fā)板)完成后才可以與軟件集成測試；如果此時發(fā)現(xiàn)軟件或者硬件設(shè)計中存在缺陷需要重新修改設(shè)計時,，勢必增加設(shè)計周期,，影響產(chǎn)品的上市時間。所以,，當前迫切需要一種在硬件流片之前,，便可以對SoC設(shè)計進行軟硬件協(xié)同驗證的方法。混合原型驗證便是很好的解決方案,。

　　混合原型驗證是虛擬原型與硬件原型相結(jié)合的一種驗證技術(shù),，通常情況下，SoC設(shè)計由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成,，硬件設(shè)計主要采用寄存器傳輸級(Register Transfer Level,，RTL)代碼實現(xiàn)，軟件設(shè)計主要在中央處理器(Central Process Unit,，CPU)中實現(xiàn),，并通過加載Linux內(nèi)核、編譯驅(qū)動和應(yīng)用程序來控制硬件與外界進行交互,?；旌显万炞C是兩者功能相結(jié)合的一種驗證方法，可以進行軟硬件協(xié)同開發(fā)與調(diào)試,。下面介紹混合原型驗證平臺的設(shè)計方法,，并以UART IP核為例，詳細闡述其驗證過程和驗證結(jié)果,，為IP核設(shè)計用戶提供一種新型的驗證方案,。

1 混合原型驗證平臺

　　如圖1所示，混合原型驗證平臺由硬件平臺和虛擬平臺兩部分組成,，兩者之間通過高速接口Transactors(XACTOR)互聯(lián),。其中硬件平臺基于HAPS(High-performance ASIC Prototyping System，HAPS)原型驗證系統(tǒng)實現(xiàn),，平臺中有一款容量高達450萬門的Virtex-6 LX760 FPGA(Filed Programmable Gate Array)，可以為用戶提供較大容量的RTL驗證,；虛擬平臺主要由一套完善的開發(fā)工具包組成,，在添加虛擬模型時，通過引入已經(jīng)搭建好的虛擬軟件開發(fā)包,，為軟件開發(fā)人員將虛擬原型演變?yōu)橐惶赚F(xiàn)成可用的參考開發(fā)工具[1],；XACTOR接口通過高速總線UMRBus(Universal Multi-Resource Bus)進行數(shù)據(jù)傳輸[2]，UMRBus是一種高性能,、低延時通信總線,，它能為所有板載FPGA、存儲器,、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)議實現(xiàn)。

　　1.1 硬件平臺

　　HAPS原型驗證系統(tǒng)由一套HAPS-61高性能ASIC原型驗證平臺和一套復(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原型驗證系統(tǒng)的主要特點包括：容納高達450萬門的門級電路,；843個用戶I/O接口；12個外部差分時鐘輸出,；一個100 MHz的晶振,，2個PLLs能夠產(chǎn)生高達700 MHz的時鐘頻率；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

　　與傳統(tǒng)RTL級驗證相比，虛擬平臺的驗證建立在電子系統(tǒng)級(Electronic System Level,，ESL)之上,，運用SystemC庫和TLM 2.0標準，可以進行快速的系統(tǒng)建模,，仿真速度比RTL高很多,。虛擬平臺是由一套虛擬軟件開發(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,，開發(fā)者可以方便地將其基于ARM處理器的設(shè)計分割到虛擬平臺和硬件平臺中。在虛擬平臺中單獨仿真時,，通過搭建已經(jīng)驗證好的TLM模型,，用戶可以脫離硬件進行仿真；在與硬件進行協(xié)同仿真時,，通過引入TLM Library,，然后在TLM Creator中模擬PHY或測試設(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HAPS端口連接真實的外部世界,，從而實現(xiàn)軟件和硬件之間的協(xié)同開發(fā)，加快了系統(tǒng)開發(fā)進度,。

2 UART IP核混合驗證方案

　　2.1 整體方案設(shè)計

　　為了驗證已經(jīng)設(shè)計好的UART IP核,，構(gòu)建如圖2所示的混合驗證方案。圖中,，中間部分為HAPS硬件平臺,，包含了全部FPGA硬件實現(xiàn)，其中UART IP核是自主設(shè)計的基于APB(Advanced Peripheral Bus)接口的待驗證IP核,，XACTOR是由本系統(tǒng)提供的接口IP,，兩端分別通過APB總線連接UART IP核,，再通過UMRBus高速總線連接虛擬平臺；Clock/Reset是由HAPS提供的時鐘和復(fù)位模塊,。左半部分為虛擬平臺,，通過基于標準TLM2.0的XACTOR接口，用戶可以訪問硬件單元,，從而實現(xiàn)基于事務(wù)級模型的協(xié)同仿真,。虛擬平臺中事務(wù)級建模測試方法可以由2種方法實現(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)動加載，分別可以對硬件RTL中的寄存器讀寫功能和IP核數(shù)據(jù)傳輸功能進行測試,。右半部分為連接RS-232串口的超級終端,，通過Minicom工具來觀測IP核數(shù)據(jù)收發(fā)的正確性，進而協(xié)助虛擬平臺完成整個系統(tǒng)驗證[3],。

　　2.2 UART IP核設(shè)計

　　2.2.1 UART協(xié)議

　　UART接口是計算機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)計采用Verilog來開發(fā)符合RS-232標準的UART IP核。UART傳輸只需要兩條信號線（RXD,，TXD）就可以完成數(shù)據(jù)的相互通信,，接收與發(fā)送是全雙工實現(xiàn)。其工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個字符進行編碼,，一位接著一位的傳輸,，傳輸?shù)乃俾视刹ㄌ芈蕰r鐘控制[4]。其中各比特的意義如圖3所示,。

　　起始位：低電平信號發(fā)起,，表示傳輸字符開始；

　　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)成一個字符,，由時鐘控制從低位開始傳送；

　　奇偶校驗位：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)，以此來校驗數(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,，是一個數(shù)據(jù)幀結(jié)束的標志,；

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

　　2.2.2 功能模塊設(shè)計

　　為了簡化IP核設(shè)計，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：當發(fā)送數(shù)據(jù)時,，APB總線把數(shù)據(jù)寫入發(fā)送FIFO中，當發(fā)送移位寄存器是空時,，先由發(fā)送邏輯根據(jù)線路狀態(tài)對數(shù)據(jù)進行配置,，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)送時鐘的控制下，通過Data_out線把數(shù)據(jù)發(fā)送出去,；接收數(shù)據(jù)時,，在接收時鐘的控制下，串行數(shù)據(jù)通過Data_in線逐位送入接收移位寄存器中,，當檢測到停止位時,，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)與控制模塊通過地址選通信號鎖存片選信號和地址信號,，當片選信號有效時,，鎖存讀、寫選通信號,，當檢測到讀或?qū)懙臄?shù)據(jù)到來時,，進行相關(guān)寄存器操作。

　　中斷控制模塊要求當任何中斷發(fā)生時,，中斷使能寄存器根據(jù)中斷優(yōu)先級的不同,，允許對應(yīng)的中斷發(fā)生。UART IP核的中斷申請可以分為4個優(yōu)先級,，從高至低的順序為：INT0（接收器狀態(tài)錯誤）,，INT1（接收數(shù)據(jù)準備好）,，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)計完基于APB接口的UART IP核后,，為使虛擬平臺能夠通過UMRBus總線訪問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實現(xiàn),，XACTOR是由本平臺提供的接口IP，主要通過AMBA協(xié)議實現(xiàn)軟件平臺與硬件平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸,，每一個XACTOR由一個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)計的IP核接口類型,，選擇對應(yīng)的XACTOR添加到自己的工程中，然后修改相應(yīng)的端口,、時鐘,、reset信號等，從而產(chǎn)生包含UMRBus高速接口的FPGA工程,。

　　2.3 虛擬平臺設(shè)計

　　2.3.1 搭建虛擬平臺

　　本方案需要在虛擬平臺中創(chuàng)建虛擬模型,，并分別搭建能夠?qū)τ布TL寄存器讀寫功能測試和對IP核數(shù)據(jù)傳輸功能測試的虛擬平臺。其中,，對硬件RTL寄存器讀寫功能測試的虛擬平臺如圖5所示,。圖中,，i_GFRBM_TLM2作為事件發(fā)起方(Initiator),，通過連接tlm2bus總線,，可以與硬件平臺進行操作,；i_ClockGenerator是虛擬時鐘產(chǎn)生模塊，為總線和Initiator提供時鐘單元,；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實現(xiàn)的并與硬件CAPIM相對應(yīng)的XACTOR,，通過標準的TLM2.0 Socket接口,，實現(xiàn)軟件平臺與硬件平臺的數(shù)據(jù)交互功能。

　　2.3.2 設(shè)計腳本

　　虛擬平臺搭建完成后,，需要在i_GFRBM_TLM2中寫入測試腳本訪問硬件寄存器，以測試IP核寄存器設(shè)計是否正確,。在GFRBM模式下,，Testbench采用標準的STL 2.0(Socket Transactor Language)語言實現(xiàn),，STL是由OCPIP(Open Core Protocol International Partnership)組織提出的標準Socket語言，主要由3個不同的子集組成：

　　(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)計需要,，UART IP核可以被訪問的寄存器名字和地址如表1所示,。

　　可訪問的寄存器確定完成后，采用STL語言編寫測試腳本,，示例如圖6所示,。

3 驗證過程與結(jié)果分析

　　混合原型驗證方案中，對IP核進行混合驗證之前,，首先需要使用仿真器對RTL代碼進行仿真,。當仿真通過之后，才可以在硬件平臺上進行混合原型驗證,。硬件實現(xiàn)時,，首先采用Certify工具進行代碼分割，再使用Synplify工具進行代碼綜合,，然后使用ISE工具進行布局布線并產(chǎn)生可加載的.bin文件,，最后使用Confpro工具配置硬件系統(tǒng)。當硬件系統(tǒng)配置完成后,，按照圖2所示的方式進行連接,，并啟動虛擬平臺開始混合原型驗證。

　　3.1 寄存器讀寫功能測試

　　在虛擬平臺中通過GFRBM模式對UART IP核進行寄存器讀寫訪問時,，參照2.3.1節(jié)中搭建的虛擬平臺和2.3.2節(jié)中給出的測試腳本,，分別采用固定值讀寫和隨機數(shù)讀寫兩種方式測試寄存器，結(jié)果如下：

　　(1)固定值讀寫測試：分別對表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)對比，讀出值與寫入值完全一致,。

　　(2)隨機值讀寫測試：分別對表1給出的寄存器寫入隨機值$random, 然后讀取該寄存器的值,。經(jīng)對比，讀出值與寫入值完全一致,。

　　3.2 UART數(shù)據(jù)傳輸測試

　　與寄存器讀寫功能測試不同,，在測試UART IP核的傳輸功能時，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,，然后在虛擬平臺中加載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)動以及應(yīng)用程序等,。測試時，首先在虛擬平臺中對IP核進行傳輸配置,，包括傳輸速率,、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗等,，并把發(fā)送數(shù)據(jù)通過IP核發(fā)送到TXD端口,，再通過串口傳送到上位機超級終端進行顯示；接收數(shù)據(jù)時,，超級終端發(fā)送數(shù)據(jù)至IP核的RXD端口,，虛擬平臺讀取IP核接收的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)在虛擬平臺中打印出來,，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)傳輸兩種方法進行測試。

　　(1)單端發(fā)送測試：即從虛擬平臺發(fā)送數(shù)據(jù),，通過UART IP核傳送至超級終端Minicom,，在Minicom中顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確。虛擬平臺中,，對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)、無校驗位,、1 bit停止位,，同樣在Minicom中配置相同的傳輸參數(shù)。經(jīng)測試,，Minicom接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)完全一致,。測試結(jié)果如圖7所示。

　　(2)回環(huán)測試：即從虛擬平臺發(fā)送數(shù)據(jù),，通過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,，虛擬平臺讀取IP核接收的數(shù)據(jù),，然后在虛擬平臺顯示窗口進行收發(fā)數(shù)據(jù)對比，以此確定回環(huán)傳輸?shù)恼_性,。同樣在虛擬平臺和Minicom中配置如下參數(shù)：傳輸速率9 600 b/s,、8 bit數(shù)據(jù)、無校驗位、1 bit停止位,。經(jīng)測試,，虛擬平臺接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)完全一致，從而確定整個通路傳輸是正確的,。

4 結(jié)論

　　本文介紹了基于虛擬平臺與硬件平臺相結(jié)合的混合原型驗證技術(shù)，并以UART IP核為例,，對設(shè)計過程進行分析并對結(jié)果進行驗證,。由于采用了混合原型驗證技術(shù)，使得SoC設(shè)計人員在開發(fā)早期便可發(fā)現(xiàn)設(shè)計的缺陷或故障,，進而改進系統(tǒng)的功能和性能,，降低開發(fā)風險。另外,，本方案開發(fā)的IP核完全采用Verilog語言設(shè)計,，移植性好，其接口采用標準的APB總線接口協(xié)議,，所以不需要用戶進行修改,，便可很好地應(yīng)用于SoC設(shè)計中，具有較高的應(yīng)用價值,。

參考文獻

　　[1] Nithya Ruff．SoC設(shè)計：虛擬原型成為主流[J].電子產(chǎn)品世界,，2013(1)：25-27.

　　[2] UMRBus Communication System Handbook.2012，V3.14[DB/OL]．http：//www.synopsys.com.

　　[3] 吳君欽,，李艷麗.一種SoC軟硬件協(xié)同驗證方法的設(shè)計[J].江西理工大學(xué)學(xué)報,，2011，32(3)：65-68.

　　[4] 朱勤,，錢敏.嵌入式UART的設(shè)計及FPGA驗證[J].通信技術(shù),，2012，45(241)：150-153.

　　[5] 董大成,，張建東,，史國慶.基于FPGA的UART IP核的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2012,，20(8)：2251-2253.