RISC-V的開放性允許定制和擴(kuò)展基于 RISC-V 內(nèi)核的架構(gòu)和微架構(gòu),，以滿足特定需求,。這種對設(shè)計自由的渴望也正在將驗證部分的職責(zé)轉(zhuǎn)移到不斷壯大的開發(fā)人員社群。然而,，隨著越來越多的企業(yè)和開發(fā)人員轉(zhuǎn)型RISC-V,，大家才發(fā)現(xiàn)處理器驗證絕非易事,。新標(biāo)準(zhǔn)由于其新穎和靈活性而帶來的新功能會在無意中產(chǎn)生規(guī)范和設(shè)計漏洞，因此處理器驗證是處理器開發(fā)過程中一項非常重要的環(huán)節(jié),。

　　在復(fù)雜性一般的RISC-V 處理器內(nèi)核的開發(fā)過程中,，會發(fā)現(xiàn)數(shù)百甚至數(shù)千個漏洞。當(dāng)引入更多高級特性的時候,，也會引入復(fù)雜程度各不相同的新漏洞,。而某些類型的漏洞過于復(fù)雜，導(dǎo)致在仿真環(huán)節(jié)都無法找到它們。因此必須通過添加形式驗證來賦能 RTL 驗證方法,。從極端漏洞到隱匿式漏洞,，形式驗證能夠讓您在合理的處理時間內(nèi)詳盡地探索所有狀態(tài)。

　　在本文中,，我們將介紹一個基于形式驗證的,、易于調(diào)動的 RISC-V 處理器驗證程序。與 RISC-V ISA 黃金模型和 RISC-V 合規(guī)性自動生成的檢查一起,，展示了如何有效地定位那些無法進(jìn)行仿真的漏洞,。通過為每條指令提供一組專用的斷言模板來實現(xiàn)高度自動化，不再需要手動設(shè)計,，從而提高了形式驗證團(tuán)隊的工作效率,。

　　1、基于先進(jìn)內(nèi)核的處理器開發(fā)

　　嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛,，同時對處理器的性能,、功耗和面積（PPA）要求越來越高，因此我們將這樣的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)背景下用實際案例來分析處理器的驗證,。Codasip L31 是一款用于微控制器應(yīng)用的 32 位中端嵌入式 RISC-V 處理器內(nèi)核,。作為一款多功能、低功耗,、通用型的 CPU,，它實現(xiàn)了性能和功耗的理想平衡。從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到工業(yè)和汽車控制,，或作為大型系統(tǒng)中的深度嵌入式內(nèi)核,，L31可在一個非常小巧緊湊的硅片面積中實現(xiàn)本地處理能力。L31是通過 Codasip Studio 使用 CodAL 語言設(shè)計而成,，該內(nèi)核完全可定制,，包括經(jīng)典的擴(kuò)展和特性，以及實現(xiàn)這些擴(kuò)展和特性所需的高效和徹底的驗證,。

　　圖1 Codasip L31處理器內(nèi)核架構(gòu)圖解（來源：Codasip）

　　表 1 Codasip L31內(nèi)核展示了RISC-V處理器的優(yōu)異特性

　　2創(chuàng)建最優(yōu)的RISC-V處理器驗證方法

　　處理器驗證需要制定合適的策略,、勤勉的工作流程和完整性，而方興未艾的,、更加靈活的RISC-V處理器開發(fā)則需要針對自己處理器功能設(shè)置做詳盡的驗證規(guī)劃,；也需要參考一些內(nèi)核供應(yīng)商的內(nèi)外部因素,，比如該供應(yīng)商自己的開發(fā)工具體現(xiàn)和外部開發(fā)工具伙伴,，以及同系、同款或者同廠內(nèi)核的出貨量等,。

　　驗證處理器意味著需要考慮諸多不確定性,。最終產(chǎn)品將運(yùn)行什么軟件？用例是什么？可能發(fā)生哪些異步事件,？這些未知數(shù)意味著較大的驗證范圍,。然而，覆蓋整個處理器狀態(tài)空間是無法實現(xiàn)的,，這也不是Codasip這樣的領(lǐng)先內(nèi)核供應(yīng)商的目標(biāo),。

　　在確保處理器品質(zhì)的同時，充分利用時間和資源才是處理器驗證的正解,。明智的處理器驗證意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中盡早并高效地發(fā)現(xiàn)相關(guān)漏洞,。在頂層方面，Codasip提供了多種創(chuàng)新的驗證路徑,，其驗證方法基于以下內(nèi)容：

　　●驗證是在處理器開發(fā)期間與設(shè)計團(tuán)隊合作完成的,。

　　●驗證是所有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的組合。使用多種技術(shù)可以讓您最大限度地發(fā)揮每一種技術(shù)的潛力,，并有效地覆蓋盡可能多的極端情況,。

　　●驗證需持續(xù)進(jìn)行。有效的辦法是運(yùn)用隨著處理器復(fù)雜程度而不斷發(fā)展的技術(shù)組合,。

　　在驗證L31內(nèi)核時,，我們的想法是讓仿真和形式驗證相輔相成。

　　2.1仿真的優(yōu)勢和目的

　　仿真實際上不可或缺,，它允許我們在兩個級別上進(jìn)行驗證設(shè)計：

　　●頂層仿真（Top-level）,，主要是為了確保設(shè)計在最常見的情況下符合其規(guī)范（CPU 的 ISA）。

　　●塊級仿真（Block-level）,，以確保微架構(gòu)按照預(yù)期設(shè)計,。然而，很難將這些檢查與頂層架構(gòu)規(guī)范聯(lián)系起來,，因為這通常依賴于定向隨機(jī)測試生成,，因此能夠應(yīng)付棘手和不尋常的情況。

　　頂層仿真通常不像塊級仿真那樣特意強(qiáng)調(diào)設(shè)計,。因此,，它可以實現(xiàn)針對 ISA 的設(shè)計的整體驗證。

　　2.2形式驗證的優(yōu)勢和目的

　　形式驗證使用數(shù)學(xué)技術(shù)對以斷言形式編寫的問題提供有關(guān)設(shè)計的明確答案,。

　　形式驗證工具對斷言和設(shè)計的組合進(jìn)行詳盡的分析,。不需要指定任何刺激，除了指定一些非正常情況以避免假漏洞,。該驗證工具可以提供詳盡的“已證實”答案或“失敗”答案,，同時生成顯示刺激的波形，證明斷言是錯誤的,。在大型和復(fù)雜的設(shè)計中,，工具有時只能提供有限的證明,，這意味著從重置到特定數(shù)量的周期都不存在漏洞場景。同時也存在不同的技術(shù)方法來增加該周期循環(huán)次數(shù),，或獲得“已證明”或“失敗”的答案,。

　　形式驗證用于以下情況：

　　●為完整的驗證一個模塊，潛在地消除了任何仿真的需要,。由于形式驗證的計算復(fù)雜性,，形式化驗收（sign-off）僅限于小模塊。

　　●除了仿真之外,，還要驗證一個模塊,，即使是個大模塊，因為形式驗證能夠在極端情況下找到漏洞,，而隨機(jī)仿真只能“靠運(yùn)氣”找到,，而且概率非常低。

　　●處理一些仿真不充分的驗證任務(wù),，例如時鐘門控,、X態(tài)傳播（X-propagation）、數(shù)據(jù)增量處理（CDC）,、等價性檢查等,。

　　●幫助調(diào)查缺少調(diào)試信息的已知漏洞，并確定潛在的設(shè)計修復(fù),。

　　●對漏洞進(jìn)行分類和識別,，以便通過形式驗證來學(xué)習(xí)和改進(jìn)測試平臺/仿真。

　　●為了潛在地幫助仿真,，填充覆蓋范圍中的漏洞,。

　　3解決方案：一種基于形式驗證的高效的 RISC-V 處理器驗證方法

　　為了獲得一種高效的RISC-V處理器驗證方法，我們決定以采用西門子EDA 處理器驗證APP來高效驗證Codasip  L31 RISC-V 內(nèi)核為例,，來進(jìn)行詳盡的說明,。該工具的目標(biāo)是確保 RTL 級別的處理器設(shè)計正確且詳盡地實現(xiàn)指令集架構(gòu) （ISA）規(guī)范，而本文希望介紹的是一種端到端的解決方案

　　1.該工具從一個頂層并有效的“黃金模型”中生成以下：

　　●在 Verilog 語言中,，ISA 的單周期執(zhí)行模型,。

　　●一組斷言，用于檢查待測試模塊 （DUT）和模型 （M）在架構(gòu)級別的功能是否相同,。

　　注意：這并沒有進(jìn)行任何正式等價性檢查,。

　　2.當(dāng)在 DUT 中獲取新指令 （I）時，會捕獲架構(gòu)狀態(tài) （DUT-init）,。

　　3.該指令在流水線中運(yùn)行,。

　　4.捕獲另一個架構(gòu)狀態(tài)（DUT-final）。

　　5.M 被輸入 DUT-init 和 I,，并計算出一個新的 M-final 狀態(tài),。

　　斷言檢查 M-final 和 DUT-final 中的資源是否具有相同的值,。

　　圖 2 3 級 L31 內(nèi)核的端到端驗證流程（當(dāng)驗證指令 I 既沒有停止也沒有清除緩存數(shù)據(jù)時）

　　這種端到端的驗證方法可以在比整個CPU 更小,、更簡單的模塊（例如數(shù)據(jù)緩存）上合理實現(xiàn),。可以在緩存上寫入端到端斷言,，以驗證寫入特定地址的數(shù)據(jù)是否從同一地址正確讀取,。這使用了眾所周知的形式驗證技術(shù)，例如記分牌算法,。

　　然而,，對于 CPU來說，手動編寫這樣的斷言是不可行的,。它需要指定每條指令的語義,，并與所有執(zhí)行模式交叉。這通常根本不可能實現(xiàn),。 CPU 的形式驗證被分成更小的部分,，但是仍然無法驗證所有部分是否正確執(zhí)行了 ISA。

　　使用建議的方法意味著能夠立即驗證完整的 L31 內(nèi)核,，而無需編寫任何復(fù)雜的斷言,。如上所述，黃金模型和檢查斷言是自動生成的,。

　　這種方法同時具有高度可配置性和自動化性,，特別是對于 RISC-V CPU，例如 L31：

　　●用戶可以指定設(shè)計執(zhí)行的頂層 RISC-V 參數(shù)和擴(kuò)展,。

　　●該工具能夠自動從設(shè)計中提取數(shù)據(jù),，例如將架構(gòu)寄存器與實際每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)相關(guān)聯(lián)。

　　●該工具允許添加自定義,，例如用來驗證的新指令（具有為用戶“擴(kuò)展”黃金模型的能力）,。

　　最后，黃金模型不是由Codasip開發(fā)的（除了一些自定義部分）,，這一事實提供了額外的保證,，這從驗證獨(dú)立性的角度來看很重要。

　　本文摘錄于《基于形式的高效 RISC-V 處理器驗證方法 – 形式化驗證》白皮書,，出版人為總部位于歐洲的全球領(lǐng)先RISC-V供應(yīng)商和處理器解決方案領(lǐng)導(dǎo)者,，該公司的處理器IP目前已部署在數(shù)十億顆芯片中。Codasip通過開放的RISC-V ISA,、Codasip Studio處理器設(shè)計自動化工具與高品質(zhì)的處理器IP相結(jié)合,，為客戶提供定制計算。這種創(chuàng)新方法能夠輕松實現(xiàn)定制和差異化設(shè)計,，從而開發(fā)出高性能的,、改變游戲規(guī)則的產(chǎn)品,，實現(xiàn)真正意義上的轉(zhuǎn)型。

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