文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190753
中文引用格式： 張靜,，卜剛. 基于C_Model的UVM驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2019，45(10)：100-104.
英文引用格式： Zhang Jing,，Bu Gang. Design and implementation of UVM verification platform based on C_Model[J]. Application of Electronic Technique,，2019，45(10)：100-104.
0 引言
近幾十年來(lái),，集成電路事業(yè)發(fā)展迅速,，設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)不斷發(fā)展，更多和更復(fù)雜的功能被集成到一塊芯片上,。SoC的集成度和復(fù)雜度大大提高,，在IC設(shè)計(jì)中就容易引入錯(cuò)誤，所以驗(yàn)證工作將變得艱巨,。隨著IC設(shè)計(jì)規(guī)模的增大以及設(shè)計(jì)周期的壓縮,，傳統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)已經(jīng)不能再滿足日益增長(zhǎng)的驗(yàn)證需求，驗(yàn)證方法學(xué)應(yīng)運(yùn)而生,，目前,，UVM驗(yàn)證方法學(xué)已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的方法學(xué)。
本文目的在于為數(shù)字基帶處理單元中標(biāo)簽發(fā)送鏈路的編碼模塊搭建一個(gè)適當(dāng)?shù)?、完善的?yàn)證平臺(tái),，用來(lái)驗(yàn)證RTL代碼的正確與否。運(yùn)用面向?qū)ο笏枷氲腢VM驗(yàn)證方法學(xué)和C語(yǔ)言進(jìn)行平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),，它能有效地縮短驗(yàn)證周期,，提高驗(yàn)證效率，加大芯片的面試可能性,。
1 UVM驗(yàn)證方法學(xué)
目前,，主流的驗(yàn)證方法學(xué)有VMM、OVM和UVM,。UVM基于System Verilog語(yǔ)言,，具有VMM、OVM等諸多驗(yàn)證方法學(xué)的優(yōu)點(diǎn),，是一套高效,、開(kāi)源的驗(yàn)證方法學(xué)。UVM由Accellera標(biāo)準(zhǔn)組織推出,，并得到了三大主流EDA供應(yīng)商支持,。
通用驗(yàn)證方法學(xué)(Universal Verification Methodology，UVM)是一個(gè)以SystemVerilog類庫(kù)為主體的驗(yàn)證平臺(tái)開(kāi)發(fā)框架,，可以利用其可重用組件構(gòu)建具有標(biāo)準(zhǔn)化層次結(jié)構(gòu)和接口的功能驗(yàn)證環(huán)境,。
UVM平臺(tái)架構(gòu)主要是由通用驗(yàn)證組件(Universal Verification Component，UVC)構(gòu)成,。每個(gè)UVC都是功能完備,、可配置,、封裝好的驗(yàn)證環(huán)境。根據(jù)UVC功能的不同,，可分為接口UVC(Interface UVC)和模塊UVC(Module UVC)等,。
由圖1可知構(gòu)成UVM環(huán)境的常見(jiàn)組件類如下：
(1)uvm_driver類：是從uvm_sequencer中獲取事務(wù)(transaction)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化在接口中對(duì)DUT進(jìn)行時(shí)序激勵(lì),。diver類與sequencer類之間的通信就是為了獲取新的事務(wù)對(duì)象,，這一操作通過(guò)pull方式實(shí)現(xiàn)：
driver.seq_item_port.connect(sequencer.seq_item_export)；
driver.rsp_port.connect(sequencer.rsp_export),；
(2)uvm_monitor類：用來(lái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
(3)uvm_sequencer類：就像一個(gè)管道,，從中傳送連續(xù)的激勵(lì)事務(wù),，并最終通過(guò)TLM端口送至driver一側(cè)。
(4)uvm_agent類：用來(lái)封裝一個(gè)driver,、一個(gè)monitor和一個(gè)sequencer,。
(5)reference_model：用于完成和DUT相同的功能。reference model的輸出被scoreboard接收,，用于和DUT的輸出相比較,。
(6)uvm_scoreboard：用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)和報(bào)告。
(7)uvm_env：是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的容器,，用來(lái)容納各組件,。
(8)uvm_test：是驗(yàn)證環(huán)境的唯一入口，只有通過(guò)它才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)uvm的phase機(jī)制,。
2 DUT介紹
圖2中的DUT實(shí)現(xiàn)了FM0和Miller副載波調(diào)制編碼,。在ISO/IEC18000-6C協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)簽發(fā)送鏈路主要采用是FM0編碼和Miller編碼,。編碼方式的選擇由m[1:0]來(lái)決定,，只有當(dāng)m值為2′b00時(shí)才會(huì)選擇FM0編碼，m為2′b01,、2′b10,、2′b11時(shí)選擇Miller編碼。
FM0編碼是通過(guò)電平翻轉(zhuǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼,，數(shù)據(jù)碼元-0和-1翻轉(zhuǎn)的次數(shù)不同,。碼元-0在碼元周期中間會(huì)發(fā)生一次電平翻轉(zhuǎn)，而碼元-1只在每個(gè)碼元起始處發(fā)生電平翻轉(zhuǎn),。從圖3所示FM0編碼的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)圖可以看出FM0編碼的碼元-0和-1的波形,，而且在FM0編碼結(jié)束后需要在碼元數(shù)據(jù)的尾端添加結(jié)束標(biāo)志，結(jié)束標(biāo)志會(huì)以固定碼流來(lái)結(jié)束,。碼元波形和結(jié)束符如圖4所示,。
Miller編碼又稱為副載波調(diào)制編碼,，也是通過(guò)電平翻轉(zhuǎn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼。編碼方式和狀態(tài)跳轉(zhuǎn)如圖5所示,。
根據(jù)Miller編碼規(guī)則,，按照m[1:0]值不同，每個(gè)數(shù)據(jù)可能被編碼成4位,、8位16位碼元,。如果m值為01，對(duì)應(yīng)M值為2,，每個(gè)數(shù)據(jù)編碼為4位碼元,；m值為10，對(duì)應(yīng)M值為4,，每個(gè)數(shù)據(jù)編碼為8位碼元,；m值為11，對(duì)應(yīng)M值為8,，每個(gè)數(shù)據(jù)編碼為16位碼元,。Miller編碼序列如圖6所示，每個(gè)編碼序列分別對(duì)應(yīng)M值為2,、4,、8。由圖可知數(shù)據(jù)編碼時(shí),，只有在數(shù)據(jù)-0和-0邊界電平不發(fā)生翻轉(zhuǎn)跳變以外其他數(shù)據(jù)邊界處都會(huì)發(fā)生電平的翻轉(zhuǎn)跳變,。
與FM0編碼類似，Miller除了采用電平翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)編碼外,，編碼結(jié)束后在數(shù)據(jù)的尾部同樣需要添加結(jié)束標(biāo)志,。FM0采用固定碼流作為結(jié)束標(biāo)志，即保持持續(xù)碼元電平,。但是Miller編碼的結(jié)束標(biāo)志相對(duì)會(huì)復(fù)雜一些,，如圖7所示。
3 驗(yàn)證架構(gòu)
本文設(shè)計(jì)UVM平臺(tái)如圖8所示,。
組件搭建描述：
(1)interface：聲明接口,。
(2)transaction(數(shù)據(jù)包)：繼承于uvm_sequence_item，利用隨機(jī)化和相關(guān)約束約束產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)據(jù),，創(chuàng)建兩個(gè)transaction對(duì)象,，transaction_in在DUT輸入端輸入，transaction_out在DUT輸出與參考模型的輸出相比較,。
(3)sequence類：繼承于uvm_sequence,，加入objection機(jī)制來(lái)控制驗(yàn)證平臺(tái)的關(guān)閉，利用repeat( )來(lái)控制執(zhí)行的次數(shù),。
(4)sequencer：繼承于uvm_sequencer,，連接driver,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。
(5)driver類：繼承于uvm_driver,，與sequencer連接,，用來(lái)請(qǐng)求數(shù)據(jù)。
(6)monitor類：繼承于uvm_monitor,，創(chuàng)建monitor_before和monitor_after,前者用來(lái)收集driver發(fā)送的數(shù)據(jù),，后者用來(lái)監(jiān)測(cè)DUT的輸出，分別在monitor_after和monitor_before中設(shè)置covergroup用來(lái)收集功能覆蓋率,。
(7)agent類：繼承于uvm_agent,，創(chuàng)建i_agent和o_agent,前者用來(lái)封裝driver和monitor_before，后者用來(lái)封裝monitor_after,聲明并例化sequencer,、driver,、monitor，利用端口將它們連接起來(lái),。
(8)reference_model：繼承于uvm_component，將外部C_Model通過(guò)DPI調(diào)入,，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ),，用來(lái)與monitor監(jiān)測(cè)到的DUT的輸出做比較。
設(shè)計(jì)FM0編碼的C_Model,。模型輸入包括了m參數(shù),、data，輸出編碼后數(shù)據(jù)及編碼后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,。首先需要將數(shù)據(jù)讀入模型,，根據(jù)數(shù)據(jù)電平編碼。編碼算法主要設(shè)置一個(gè)變量data_tmp,，在編碼開(kāi)始時(shí)設(shè)置為1,，如果是編碼-0，則輸出碼元~data_tmp和data_tmp,，data_tmp值保持不變,。如果是編碼-1，則輸出碼元~data_tmp和~data_tmp,，data_tmp值取反,。通過(guò)不斷更新data_tmp值來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的編碼輸出，編碼完成后添加結(jié)束標(biāo)識(shí)符,。
設(shè)計(jì)Miller副載波調(diào)制編碼的C_Model,，模型輸入包括了m參數(shù)、data,，結(jié)合副載波調(diào)制類型和數(shù)據(jù)類型,，將編碼后的數(shù)據(jù)及長(zhǎng)度輸出,，另外，由于Miller前同步碼最后一位碼元電平為低,，因此其初始data_tmp應(yīng)為0,，結(jié)合m的值進(jìn)行編碼，編碼完成后添加結(jié)束標(biāo)識(shí)符,。
(9)Scoreboard類：繼承于uvm_scoreboard,，將monitor_after檢測(cè)到的輸出與reference_model得到的輸出做比較。
(10)env類：繼承于uvm_env,，聲明并例化agent,，reference_model，scoreboard,利用端口將它們連接起來(lái),。
(11)Test類：繼承于uvm_test,，聲明并例化env，設(shè)置default_sequence來(lái)啟動(dòng)sequence,。
(12)Top模塊：聲明接口,，實(shí)現(xiàn)DUT和平臺(tái)互連，設(shè)置時(shí)鐘信號(hào),。
4 仿真結(jié)果
環(huán)境搭建完畢后用QuestaSim進(jìn)行仿真驗(yàn)證,，根據(jù)輸出的波形和驗(yàn)證信息比較DUT功能的正確與否，并查看輸出的功能覆蓋率來(lái)檢測(cè)各功能點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)狀況,。
由圖9所示可以發(fā)現(xiàn),，UVM計(jì)分板中顯示驗(yàn)證通過(guò)，DUT的輸出和模型的輸出是一致的,，DUT的設(shè)計(jì)滿足功能實(shí)現(xiàn),。
由圖10可知，m=0時(shí),，執(zhí)行FM0編碼,，m=1時(shí)，即執(zhí)行miller編碼,，每個(gè)數(shù)據(jù)分別編碼為2和4個(gè)碼元,，由圖可知:m=0，data=3′b000,，得到編碼后的數(shù)據(jù)為01010100,，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8位，最后2位是結(jié)束標(biāo)識(shí)符00,，根據(jù)FM0編碼原則結(jié)果是正確的,；而m=1，data=3′111,，得到的編碼后數(shù)據(jù)為1001_0110_1001_0110,，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16位,，最后4位0110是結(jié)束標(biāo)識(shí)符，根據(jù)miller編碼原則結(jié)果是正確的,。
由圖11可知,，m=2和3時(shí)，即執(zhí)行miller編碼,，每個(gè)數(shù)據(jù)分別編碼為8和16個(gè)碼元,，由圖可知：m=2，data=3′b110,，得到編碼后的數(shù)據(jù)為1010_0101_0101_1010_1010_1010_1010_0101,，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為32位，最后8位是結(jié)束標(biāo)識(shí)符1010_0101,，根據(jù)miller編碼原則結(jié)果是正確的,；而m=3，data=3′011,，得到的編碼后數(shù)據(jù)為0101_0101_0101_0101_0101_0101_1010_1010_1010_1010_0101_0101_0101_0101_1010_1010,，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為64位，最后16位0101_0101_1010_1010是結(jié)束標(biāo)識(shí)符,，根據(jù)miller編碼原則結(jié)果也是正確的,。
圖12是一個(gè)由覆蓋率驅(qū)動(dòng)并且受約束的隨機(jī)分層測(cè)試平臺(tái)所產(chǎn)生的整個(gè)FM0、Miller編碼仿真波形圖,，由圖可見(jiàn)，平臺(tái)跑了很多個(gè)testcase,。
圖13描述此DUT的功能覆蓋率,，F(xiàn)M0編碼以及Miller編碼的3種模式都覆蓋到了，各功能點(diǎn)的覆蓋率達(dá)到了100%,。
5 結(jié)論
UVM驗(yàn)證方法學(xué)作為目前主流的IC驗(yàn)證方法學(xué),，盡管在前期搭建驗(yàn)證平臺(tái)的的時(shí)間較長(zhǎng)，但是執(zhí)行效率很高,，可以縮短整個(gè)研發(fā)的驗(yàn)證時(shí)間,。本文介紹了基于DPI-C接口和UVM相結(jié)合的驗(yàn)證環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了C程序與基于UVM環(huán)境的接口對(duì)接,，使用受約束的隨機(jī)激勵(lì)以及覆蓋率驅(qū)動(dòng),，使驗(yàn)證平臺(tái)中程序開(kāi)發(fā)方便且調(diào)試方便，縮短了驗(yàn)證周期,，保證了驗(yàn)證的完備性,有效地縮短了驗(yàn)證周期,，提高了驗(yàn)證效率，加大了芯片的面試可能性,。
參考文獻(xiàn)
[1] 張強(qiáng).UVM實(shí)戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,，2014.
[2] 劉斌.芯片驗(yàn)證漫游指南[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2018.
[3] 程剛，蔡敏.基于SystemVerilog的SoC功能驗(yàn)證方法研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,，2009(22)：6814-6818.
[4] 克里斯·斯皮爾.SystemVerilog驗(yàn)證[M].張春,，譯.北京：科學(xué)出版社，2009.
[5] 徐偉俊,，楊鑫,，陳先勇，等.針對(duì)功能覆蓋率的驗(yàn)證過(guò)程[J].中國(guó)集成電路,，2007(7)：58-62.
[6] 克里斯·斯皮爾.SystemVerilog驗(yàn)證：測(cè)試平臺(tái)編寫指南[M].張春,，麥宋平，趙益新,，譯.北京：科學(xué)出版社,，2009.
[7] 李璐，周春良,，馮曦,，等.基于DPI-C接口的可擴(kuò)展SOC驗(yàn)證平臺(tái)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2018,，26(4)：136-140.
[8] Michael Keating.Reuse methodology manual for system-on-a-chip design[M].Third Edition.Kluwer Academic Publishers,，2002.
作者信息：
張 靜,，卜 剛
(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,，江蘇 南京211106)