rockeric.com

随着集成电路工艺水平以及计算机体系结构技术的不断发展，微处理器的性能在过去的几十年中呈指数级的增长，伴随而来的是微处理器设计规模以及复杂度也快速增加。随之而来就是验证的难度急剧增加。当前高性能微处理器验证面临的挑战主要为以下三个方面：1.验证周期长，效率低。2.验证覆盖率难以保证。3.定位并调试错误难度大。一般对于处理器的验证，通常采用分层次，多平台的验证。采用的验证方法一般是采用以模拟验证和形式化验证相结合，软、硬件协同合作的验证方法。本篇论文就是一个处理器验证的例子，从模块级到核级再到系统级，采用了形式验证，动态仿真以及硬件加速器相结合的验证方法，最后完成了对一个处理器的验证工作。

处理器的模块级验证

在处理器的结构确定之后，设计被划分到各个设计子模块，各个模块的设计验证同时启动。对于验证来说，模块级的验证可以采用多种验证形式，包括定向验证（Directed Verification）,随机验证（Random Verification）或者形式验证（Formal Verification）。形式验证一般主要用于局部逻辑区域的功能验证，其验证速度快，不需要编写测试激励就可以对电路进行静态分析。可以加快测试激励的编写，测试平台的搭建等前期准备过程。常用于前期功能验证的形式化验证工具一般有等价性检查（Formal equivalence check）和静态属性检查（Formal property check）。目前，针对多核处理器的形式化验证的研究主要集中在高效化形式验证引擎，模块级的形式验证，cache一致性检查以及NoC行为检查等。

带约束的随机化验证是模块验证采用的主要方法。UVM是目前模块级验证平台的主要结构。功能覆盖率与代码覆盖率的提升是推动验证过程的主要驱动力。例如对于处理器核DEC模块的验证。

如图是DEC模块的示意图。DEC是处理器核心的控制模块之一，主要实现指令的分派，指令的定序以及线程调度等功能。

对于该模块的验证，测试激励的产生主要是利用SV的随机函数以及约束产生的。将DEC模块的输入接口的激励分别分为bx_pkg, fp_pkg, sx_pkg, mx_pkg, ls_pkg,uop_pkg等六组，分别对应分支处理，浮点运算，简单数处理，复杂数处理，访存处理，微操作控制等六个功能。六组信号通过随机构成测试激励，输入给待测模块和参考模型。

基于覆盖率驱动的验证，随着对处理器核的不断验证，代码覆盖率和功能覆盖率逐渐趋于稳定，在验证过程中需要对未覆盖到的代码或者功能进行有针对性的分析，并根据分析结果增加或修改激励。

对于这种动态仿真验证，激励的形式大约可以分为两类。

第一类就是上述的带约束的随机激励。受约束的随机激励可以在很短时间内以较少的测试用例来覆盖到较多的测试场景，得到更高的覆盖率。受约束的随机激励在处理器的验证过程中特别适用于操作数的取值，操作码的取值，指令序列的组合的验证。

第二类是直接激励。一般在设计验证初期，常常采用手工编写的向量集合作为模拟激励。这种测试激励通常由设计者来完成，其最关注的是基本功能和重要的边界情况。另外在模块验证后期某些特殊的功能无法很好的被随机激励覆盖或者某些关键用例一般也编写具有针对性的测试用例。

处理器的核级验证

处理器核的验证主要是确认处理器核各个部件功能的正确。再对各个设计模块充分验证之后，将多个模块按照一定的连接和时序关系构成更高层次的功能部件，并对其进行核级的验证，主要验证各个子模块间通信、控制和协议实现。将各个功能部件按照体系结构和相互间定义的接口协议构成一个最终要实现的系统，并完成核级系统的验证。

由于处理器核的存在，核级的验证平台主要包括核级的DUT，加载测试程序的引导部分，memory模型，覆盖率以及比较器等。一般将测试文件编译成二进制代码，加载到memory模型中去，引导处理器核加载memory中的代码，执行测试程序，并与比较器进行比较。验证平台测试层的测试集由 C 程序、汇编程序以及初始化代码等构成。

对于核级测试的测试用例，也可以分为直接测试和随机测试两大类。

直接测试主要测试各个子模块在处理器核级的功能正确性，用于发现结构性定义错误。大规模的随机指令测试主要在项目后期设计代码初步稳定之后完成。直接测试的测试用例一般应该覆盖到处理器核的整体功能，相关指令的译码，浮点部分的运算，中断处理，指令集中每条指令的执行情况，访存部件的处理功能等。定向测试对于有针对性的功能部件进行验证较为有效，但在很多边界条件下，使用随机指令测试可能会发现更多指令组合的问题。

直接测试可以参考标准的测试集来编写，但是随机指令测试用例的生成就需要考虑多种情况。处理器核随机指令测试的生成条件需要按照指令类型进行特殊处理。对于整数运算类指令需要特殊区分整数除零运算，以控制整数除零异常的产生；对于浮点运算类指令需要对浮点运算数据进行特殊选择以控制浮点异常的产生；对于跳转类指令需要在指令产生之前产生和定义指令的跳转地址，避免由于跳转到未知地址而导致指令执行序列不可控；对于系统类指令则需要单独处理，尤其是涉及到 MMU 控制类指令、 Cache 控制类指令、处理器状态切换指令和调试指令。这些生成条件在随机指令测试用例的生成中定义为开关形式来控制随机指令测试程序的最终生成结果。如图