嵌入式系统芯片的软硬件协同仿真环境设计
随着微电子产业日新月异的发展，ic设计的规模越来越大，集成度越来越高，已经足以将一套完整的系统集成到一块小小的芯片中。在这种形势下，soc技术应运而生。随着ip核复用技术的出现，soc芯片的设计已经不再是很大的难题，soc芯片的验证已逐渐取代芯片设计成为芯片开发阶段的瓶颈。现阶段soc芯片设计的正确性要经过前仿真、后仿真以及fpga验证来保证。前仿真包括单元验证、集成验证和系统验证，后仿真包括带反标时序sdf的网表仿真，其中系统验证和后仿真都需要关注soc芯片的全局功能，这就涉及soc的软件仿真和硬件仿真的协同问题。本文以dsm模型替代arm核，以vmm验证方法学和vcs仿真器为基础，搭建一个可重用性高、调试和定位问题方便、仿真真实性高、软件和硬件能够很好配合的协同验证平台。
软硬件协同仿真架构如图1所示，协同验证分软件验证环境和硬件验证环境两部分。软件代码通常由c/c++和汇编语言混合编写而成，然后由软件编译器转换成二进制格式，最后将该二进制文件加载到soc芯片的存储器中去，芯片boot启动时由arm核调用软件代码并执行;硬件环境基于vmm验证方法学进行搭建，下文中会有详细介绍。协同仿真就是通过事件和命令，使用一些机制，在这两个环境间进行控制。
2 dsm模型的使用
soc芯片的cpu一般选用arm，协同验证平台中arm可以用seamless cve模型替代，或者直接选用arm网表。采用seamless cve模型进行仿真，虽然速度比较快，但需要替换设计中的memory模型，且必须使用cve自己的模型，这样与芯片真实情况有出入;采用arm网表进行仿真，速度比较慢，调试也不方便，但是更接近实际情况。相比于这两者，本文采用的dsm(design simulation model)模型由arm公司提供，能完全模拟arm的接口和时序行为，具有更高的真实性，而且dsm无需更换存储器模型和外挂仿真工具，使验证dut与实际芯片完全一致，即不必为了满足仿真需求修改部分rtl代码。此外，dsm环境仿真过程中输出的log文件log.eis真实记录每个周期执行的cpu代码和操作。根据该文件能快速定位软件问题。cve环境通过调用xray软件调试工具，虽然可以进行单步调试、没置断点等操作，但出现软件问题时定位没有dsm环境那么直观、方便。
dsm是arm公司提供的设计仿真模型，该模型直接从arm公司的rtl代码经过加密处理转化而来，具有同真实rtl代码完全一致的功能和特性。在时序仿真过程中，还能直接对该模型反标时序。在仿真过程中，将模型wrapper——也就是模型的最顶层——例化到rtl代码中，仿真器在仿真过程中触发wrapper，请求model manager动态调用模型库进行仿真。model manager响应请求动态调用模型库文件，达到功能仿真的目的。由此可以看出，model manager在仿真过程中充当中介角色，将模型和仿真器动态连接在一起。dsm模型的工作原理如图2所示。
3 软件仿真
arm汇编器工具armasm、arm的c/c++编译工具armcc和armcpp，以及arm的链接工具armlink，利用arm工具对软件代码进行编译链接生成的文件格式为elf格式(executable link file)，原始代码在文件中的位置通过scatter文件指定，arm提供了fromelf工具，该工具将elf格式的文件根据运行时域转化为二进制文件，以便在仿真起始阶段将代码放到指定的memory中。在makefile中将elf格式转化为bin文件的具体实例如下：
fromelf-bin output./software.elf
上述语句表示将software.elf文件转化为二进制文件放到当前目录。
在软硬件协同仿真的初始阶段，需要将生成的二进制文件导入相应的存储器中，这通过verilog提供的系统函数fread实现。下面是一个将二进制文件导入存储器的实例，先通过$fopen函数读出文件地址，然后通过$fread函数将指定地址的文件数据传给变量inst_fik_word，最后将变量inst_file_world中的值传给存储器中的相应地址单元。在dsm仿真中都需要一个这样的“桥梁”文件，将软件和逻辑链接起来。
软硬件协同仿真的软件结构如图3所示，系统boot起来后直接跳转到main()函数进行单进程任务，如果出现中断异常，则boot代码中根据中断向量表地址跳转到中断处理函数。中断处理函数中包含对各中断的处理，main()函数中调用各个模块的tc(test case)函数，tc调用底层的驱动代码。驱动代码的编写则基于各个模块的寄存器定义文件和全局变量。该软件结构清晰可控，便于各测试用例tc的并行提交和管理。
4 构建基于vmm的软硬件协同仿真平台
在软硬件协同仿真环境中，完全可以采用基于vmm的验证架构，但软硬件协同仿真环境较一般的纯逻辑集成验证环境难度大，主要体现在软硬件协同仿真环境冈为仿真过程中有软件代码在执行，同时验证环境也在执行，因此如何将软件代码和硬件环境协调起来是关键。在仿真过程中，软件和验证环境之间需要建立一种通信机制，如可以通过中断通信，也可以通过某一特殊信号线通信。软硬件协同仿真环境中，某一项功能点的测试常常需要软硬件两条测试用例tc，软件tc需要驱动代码，而一般的集成测试用例不需要软件tc和驱动。典型的vmm的验证架构如图4所示。
验证的总体架构是分层次的，层次化的验证环境具有很好的扩展性和重用性，各个层次完成自己特定的功能。test层又叫tc层，主要完成数据激励的定义、环境的控制工作。generator层定义的数据“模板”，产生各种数据激励。function layer层完成输入和输出数据激励的收集，进行自动比对。command layer层主要按接口时序收发数据，同时将一些底层方法(如数据读写等)进行封装。signal layer层主要是完成接口信号连接工作。不同的人关注不同层次，一般的验证人员只需要在test层工作，编写测试向量。只有搭建环境的验证人员才需了解各个层次。验证架构的层次化降低了验证环境复杂度和环境维护成本，提升了验证效率。
本文基本采用图4的验证环境架构的思路，并在其基础上进行修改，添加相应组件。vmm验证环境架构如图5所示，环境数据流从测试用例test case开始，经过数据包产生器generator和数据处理器transactor送给bfm处理，bfm把验证环境的抽象层次从信号级抽象到transaction级，在实现上只做时序转换功能，利于重用。从发送方向看，bfm只负责将接收到的数据发送给dut;从接收方向看，bfm只负责将接收到的数据发给transactor，实现任何数据的解析。monitor抓取接口上的信号，并分析各组控制信号之间的逻辑时序关系，检查其是否满足协议所规定的逻辑时序关系，同时把监测到的数据信号转化为数组送到rm解析。与bfm一样，monitor只实现时序转换功能，不做数据解析。从monitor上采样数据再送入rm，是基于重用的角度考虑。参考模型(rm)用于预测数据响应，check组件将rm的输出数据与被观测响应进行比较。
该验证环境架构还添加断言(assertion)来提高观察和定位设计问题的能力。断言是检查dut中信号行为是否正确的观察器，用来描述被预期的特定性质。本文采用的断言为sva断言语言，可以应用到设计过程的各个阶段，还可以统计功能覆盖率。
5 基于dsm的软硬件协同仿真调试
由于dsm模型在仿真过程中，会将arm执行的每一步动作打印出来，生成一个log.eis文件，由该文件给出的信息定位问题非常方便，如图6所示。
图中第1列表示程序执行到arm的第几个时钟周期。第2列是arm执行的指令类型。第3列的ccfail表示条件执行时是否执行，如果条件执行了，则不打印ccfail，反之则打印出ccfail。第4列是arm执行的机器码。最后几列是详细的arm执行的动作，从图中可以看出arm执行哪一步指令，将哪些数据读写到哪些地址。对应的仿真波形图如图7所示。可以看出，log.eis完整无误地将arm执行的动作打印了出来。
结语
设计验证是soc设计的关键技术之一，贯穿整个soc设计过程。随着soc技术的发展，软硬件协同验证的效率和正确性对整个soc设计的影响也越来越大。相比传统的软硬件协同环境，本文介绍的环境速度快，更真实，调试也更加容易。该环境可继承性好，能够为各种soc项目开发验证所用。
安防不仅仅是保护人们的安全 同时也要确保个人信息的安全
如何应对高分辨率转换器器件的噪声挑战?
浅谈预测性维护在智能工厂的应用与优势
揭秘！智能网联汽车必备总线测试方案
现如今的人工神经网络能有多好的表现？
嵌入式系统芯片的软硬件协同仿真环境设计
具有超强真实感的，VR《赛罗奥特曼》电影，将上线小米vr一体机
TBY-753A型快速充电稳压电源原理
华为荣耀8 Lite亮相工信部 传国行的两个版本本月正式登场
研究发现金属氧化物具有超强的物理储能能力，可提升电池续航3倍
信号发生器E8251A unlevel报错维修案例
3D人脸识别研究探索
高通2012年创收191亿 搭苹果顺风车登顶
新能源汽车新福利：纯电SUV续航里程可达330公里
法国AXON CABLE推出超微D型定位连接器
跨界乱象：地产网络企业做芯片，跨界而来为何谋？
基于HT66F系列BLDC无线吸尘器
QD-Mini LED是什么，它有什么特点
BGA封装内存
AR如何赋能红米提升双11销量表现
软硬件协同仿真架构如图1所示，协同验证分软件验证环境和硬件验证环境两部分。软件代码通常由c/c++和汇编语言混合编写而成，然后由软件编译器转换成二进制格式，最后将该二进制文件加载到soc芯片的存储器中去，芯片boot启动时由arm核调用软件代码并执行;硬件环境基于vmm验证方法学进行搭建，下文中会有详细介绍。协同仿真就是通过事件和命令，使用一些机制，在这两个环境间进行控制。
2 dsm模型的使用
soc芯片的cpu一般选用arm，协同验证平台中arm可以用seamless cve模型替代，或者直接选用arm网表。采用seamless cve模型进行仿真，虽然速度比较快，但需要替换设计中的memory模型，且必须使用cve自己的模型，这样与芯片真实情况有出入;采用arm网表进行仿真，速度比较慢，调试也不方便，但是更接近实际情况。相比于这两者，本文采用的dsm(design simulation model)模型由arm公司提供，能完全模拟arm的接口和时序行为，具有更高的真实性，而且dsm无需更换存储器模型和外挂仿真工具，使验证dut与实际芯片完全一致，即不必为了满足仿真需求修改部分rtl代码。此外，dsm环境仿真过程中输出的log文件log.eis真实记录每个周期执行的cpu代码和操作。根据该文件能快速定位软件问题。cve环境通过调用xray软件调试工具，虽然可以进行单步调试、没置断点等操作，但出现软件问题时定位没有dsm环境那么直观、方便。
dsm是arm公司提供的设计仿真模型，该模型直接从arm公司的rtl代码经过加密处理转化而来，具有同真实rtl代码完全一致的功能和特性。在时序仿真过程中，还能直接对该模型反标时序。在仿真过程中，将模型wrapper——也就是模型的最顶层——例化到rtl代码中，仿真器在仿真过程中触发wrapper，请求model manager动态调用模型库进行仿真。model manager响应请求动态调用模型库文件，达到功能仿真的目的。由此可以看出，model manager在仿真过程中充当中介角色，将模型和仿真器动态连接在一起。dsm模型的工作原理如图2所示。
3 软件仿真
arm汇编器工具armasm、arm的c/c++编译工具armcc和armcpp，以及arm的链接工具armlink，利用arm工具对软件代码进行编译链接生成的文件格式为elf格式(executable link file)，原始代码在文件中的位置通过scatter文件指定，arm提供了fromelf工具，该工具将elf格式的文件根据运行时域转化为二进制文件，以便在仿真起始阶段将代码放到指定的memory中。在makefile中将elf格式转化为bin文件的具体实例如下：
fromelf-bin output./software.elf
上述语句表示将software.elf文件转化为二进制文件放到当前目录。
在软硬件协同仿真的初始阶段，需要将生成的二进制文件导入相应的存储器中，这通过verilog提供的系统函数fread实现。下面是一个将二进制文件导入存储器的实例，先通过$fopen函数读出文件地址，然后通过$fread函数将指定地址的文件数据传给变量inst_fik_word，最后将变量inst_file_world中的值传给存储器中的相应地址单元。在dsm仿真中都需要一个这样的“桥梁”文件，将软件和逻辑链接起来。
软硬件协同仿真的软件结构如图3所示，系统boot起来后直接跳转到main()函数进行单进程任务，如果出现中断异常，则boot代码中根据中断向量表地址跳转到中断处理函数。中断处理函数中包含对各中断的处理，main()函数中调用各个模块的tc(test case)函数，tc调用底层的驱动代码。驱动代码的编写则基于各个模块的寄存器定义文件和全局变量。该软件结构清晰可控，便于各测试用例tc的并行提交和管理。
4 构建基于vmm的软硬件协同仿真平台
在软硬件协同仿真环境中，完全可以采用基于vmm的验证架构，但软硬件协同仿真环境较一般的纯逻辑集成验证环境难度大，主要体现在软硬件协同仿真环境冈为仿真过程中有软件代码在执行，同时验证环境也在执行，因此如何将软件代码和硬件环境协调起来是关键。在仿真过程中，软件和验证环境之间需要建立一种通信机制，如可以通过中断通信，也可以通过某一特殊信号线通信。软硬件协同仿真环境中，某一项功能点的测试常常需要软硬件两条测试用例tc，软件tc需要驱动代码，而一般的集成测试用例不需要软件tc和驱动。典型的vmm的验证架构如图4所示。
验证的总体架构是分层次的，层次化的验证环境具有很好的扩展性和重用性，各个层次完成自己特定的功能。test层又叫tc层，主要完成数据激励的定义、环境的控制工作。generator层定义的数据“模板”，产生各种数据激励。function layer层完成输入和输出数据激励的收集，进行自动比对。command layer层主要按接口时序收发数据，同时将一些底层方法(如数据读写等)进行封装。signal layer层主要是完成接口信号连接工作。不同的人关注不同层次，一般的验证人员只需要在test层工作，编写测试向量。只有搭建环境的验证人员才需了解各个层次。验证架构的层次化降低了验证环境复杂度和环境维护成本，提升了验证效率。
本文基本采用图4的验证环境架构的思路，并在其基础上进行修改，添加相应组件。vmm验证环境架构如图5所示，环境数据流从测试用例test case开始，经过数据包产生器generator和数据处理器transactor送给bfm处理，bfm把验证环境的抽象层次从信号级抽象到transaction级，在实现上只做时序转换功能，利于重用。从发送方向看，bfm只负责将接收到的数据发送给dut;从接收方向看，bfm只负责将接收到的数据发给transactor，实现任何数据的解析。monitor抓取接口上的信号，并分析各组控制信号之间的逻辑时序关系，检查其是否满足协议所规定的逻辑时序关系，同时把监测到的数据信号转化为数组送到rm解析。与bfm一样，monitor只实现时序转换功能，不做数据解析。从monitor上采样数据再送入rm，是基于重用的角度考虑。参考模型(rm)用于预测数据响应，check组件将rm的输出数据与被观测响应进行比较。
该验证环境架构还添加断言(assertion)来提高观察和定位设计问题的能力。断言是检查dut中信号行为是否正确的观察器，用来描述被预期的特定性质。本文采用的断言为sva断言语言，可以应用到设计过程的各个阶段，还可以统计功能覆盖率。
5 基于dsm的软硬件协同仿真调试
由于dsm模型在仿真过程中，会将arm执行的每一步动作打印出来，生成一个log.eis文件，由该文件给出的信息定位问题非常方便，如图6所示。
图中第1列表示程序执行到arm的第几个时钟周期。第2列是arm执行的指令类型。第3列的ccfail表示条件执行时是否执行，如果条件执行了，则不打印ccfail，反之则打印出ccfail。第4列是arm执行的机器码。最后几列是详细的arm执行的动作，从图中可以看出arm执行哪一步指令，将哪些数据读写到哪些地址。对应的仿真波形图如图7所示。可以看出，log.eis完整无误地将arm执行的动作打印了出来。
结语
设计验证是soc设计的关键技术之一，贯穿整个soc设计过程。随着soc技术的发展，软硬件协同验证的效率和正确性对整个soc设计的影响也越来越大。相比传统的软硬件协同环境，本文介绍的环境速度快，更真实，调试也更加容易。该环境可继承性好，能够为各种soc项目开发验证所用。
安防不仅仅是保护人们的安全 同时也要确保个人信息的安全
如何应对高分辨率转换器器件的噪声挑战?
浅谈预测性维护在智能工厂的应用与优势
揭秘！智能网联汽车必备总线测试方案
现如今的人工神经网络能有多好的表现？
嵌入式系统芯片的软硬件协同仿真环境设计
具有超强真实感的，VR《赛罗奥特曼》电影，将上线小米vr一体机
TBY-753A型快速充电稳压电源原理
华为荣耀8 Lite亮相工信部 传国行的两个版本本月正式登场
研究发现金属氧化物具有超强的物理储能能力，可提升电池续航3倍
信号发生器E8251A unlevel报错维修案例
3D人脸识别研究探索
高通2012年创收191亿 搭苹果顺风车登顶
新能源汽车新福利：纯电SUV续航里程可达330公里
法国AXON CABLE推出超微D型定位连接器
跨界乱象：地产网络企业做芯片，跨界而来为何谋？
基于HT66F系列BLDC无线吸尘器
QD-Mini LED是什么，它有什么特点
BGA封装内存
AR如何赋能红米提升双11销量表现