大规模集成电路-09

書式設定, 書式設定,第,2,第,3,第,4,第,5,*,*,大规模集成电路,张 俊,LSI,设计流程,2,需求,需求分析,需求规格,系统设计,系统体系结构设计,系统规格,软件规格,硬件规格,软件设计,C,功能设计,RTL,逻辑设计,GATE,版图设计,可测性设计,GDS,TEST,Pattern,制造、测试、封装,reg,reg,+,reg,本讲的内容,3,1,功能、逻辑验证概要,2,功能、逻辑验证方式,3,高位综合与验证,4,验证方式的比较,第九讲 功能、逻辑验证,System LSI,的验证,4,Host CPU,DMAC,Memory,Embedded CPU,Data,Input,Data,Output,External,Memory,Mem,I/O,Host,I/O,MPEG,Decoder,例：,Set Top Box System,1.,功能验证,HW,、,SW,的单体功能验证,HW,、,SW,接口的验证、时序验证,系统整体功能验证,2.,性能验证,总线负载、处理性能、画质,/,音质等的验证,软硬件,协调验证,System LSI,验证的问题点,5,1.,设计的大规模化,例：超过,1000,万的电路规模,问题：验证工具无法支持、,验证速度太慢、无法按时交货,对策：将系统分割验证、,提高验证模型、设计层次的抽象化水平、,使用高速但高价的验证工具、,增加验证资源（人力、硬件等）,System LSI,验证的问题点,6,2.,设计的复杂化,例：多个,CPU,、多种类,IP,、复杂总线的,LSI,构成,问题：创建测试模式难度大、测试遗漏等,对策：采用遗漏较少的测试方法（形式验证）、,导入验证指标（验证覆盖范围）,3.,开发周期的缩短化,例：验证时间占,LSI,开发周期的,70%,问题：,LSI,开发的后期工程再发现设计错误的话，必然会导致设计返工及验证时间的延长,对策：导入系统级验证，从而在较高抽象度水平,进行早期验证、,利用已得到充分验证的,IP,不同设计阶段的验证,7,算法级设计,体系结构设计,软件设计,RTL,设计,Gate,设计,版图设计,芯片制造,装置组装,算法验证,体系结构验证,（包含,HW/SW,协调验证）,RTL,验证,门级验证,时序分析,版图验证,芯片验证,组装验证,基于,HDL,验证,基于,C/C+,验证,HW/SW,协调验证,设计抽象度与验证速度,8,设计抽象度、验证速度、时序精度的权衡,设计阶段,验证内容,验证速度,算法设计,验证算法及方式的正确性,1MHz,体系结构设计,将功能映射为体系结构时的性能评价,100KHz,SW,设计,SW,的功能验证,10KHz,RTL,设计,时钟精度的,HW,功能验证,100Hz,Gate,设计,门级功能验证、时序分析,10Hz,设计,抽象度,验证,速度,时序,精度,高,快,低,低,慢,高,抽象度、,EDA,工具,抽象度,9,抽象度,指验证模型功能、构造、通信方法、时间概念等信息的详细程度。验证模型的抽象度水平由设计阶段及目的决定。,无时间概念,有时间概念,无时钟精度,有时间概念,有时钟精度,有时间概念,有,RTL,精度,从硬件模块,M1,向模块,M2,写数据的例子,本讲的内容,10,1,功能、逻辑验证概要,2,功能、逻辑验证方式,(1)Simulation,方式,(2)Emulation,方式,(3),形式验证方式,(4)HW/SW,协调验证方式,3,高位综合与验证,4,验证方式的比较,第九讲 功能、逻辑验证,功能、逻辑验证方式的分类,11,HW/SW,协调验证方式,HW,验证方式,+SW,验证方式,Simulation,方式,Event Driven Simulator,Cycle Based Simulator,Hardware Simulator,Real Chip Simulator,Emulation,方式,In Circuit Emulator,Prototyping Board,形式验证方式,Equivalence Checker,Property Checker,Theorem Prover,HW,验证方式,Simulation,方式,Instruction Set Simulator,Emulation,方式,In Circuit Emulator,Prototyping Board,SW,验证方式,HW,功能验证的分类,12,根据目的分类,规格验证,硬件描述是否符合要求规格？,例：信号,a,与,b,绝对不能同时为,1,。,等价验证,2,个硬件描述的功能,/,逻辑是否等价？,根据手段分类,动态验证,输入测试模式，对硬件描述进行动作仿真,（缺点：仿真时间长、创建测试模式时间长、不可能网罗所有模式）,静态验证,对硬件描述进行静态解析,（逐渐从研究阶段向实用阶段过渡）,本讲的内容,13,1,功能、逻辑验证概要,2,功能、逻辑验证方式,(1)Simulation,方式,(2)Emulation,方式,(3),形式验证方式,(4)HW/SW,协调验证方式,3,高位综合与验证,4,验证方式的比较,第九讲 功能、逻辑验证,Event Driven Simulation,14,传播延迟,=17ns,测试模式,电路,只对电路中有信号变化的部分进行运算及信号传播的手法,参考：时轮（,Time Wheel,）方式,15,在顺序执行的计算机上进行并行处理及时间概念相关处理时，,时轮方式,作为事件管理方法被广泛应用。,假定,G1,、,G2,、,G3,、,G4,的延迟为,1ns,，配线延迟为,0,，输入,a,、,b,、,c,为,0,。,1ns,后,c,变为,1,，,3ns,后,a,变为,1,，如右图所示向时轮登录事件。,事件按,(1),、,(2),、,(3),、,(4),的次序登录，再被顺序执行。,Cycle Based Simulation,16,将寄存器,(FF),间组合电路的逻辑抽出并简化，反复执行组合电路运算处理及寄存器值更新处理的验证方式。,RTL,Netlist,逻辑综合,Cycle Based Simulator,静态时序解析,延迟验证,(Sim),以同步电路为对象,由于对组合电路进行简化，验证速度比事件驱动方式要高出,1,到,2,个数量级,Cycle Based Simulation,例,17,Event Driven Simulator,Cycle Based Simulator,电路以逻辑单元来表现,事件及延迟的管理比较复杂,从,HDL,描述中抽出电路构造,简化,f=a*b*(c+d),无法反应延迟,参考：静态时序解析（,STA,）,18,基于传统门级仿真器的逻辑,&,延迟同时验证非常慢,将逻辑验证与时序解析分离,静态时序解析,逻辑功能验证,具备专用验证引擎的仿真器,19,硬件模拟器,不使用一般用途的计算机，而是带有仿真专用处理器的仿真器。,实际芯片（,Real Chip,）仿真器,验证对象的一部分已以,LSI,的形式存在的话，对其,LSI,施加实际信号，其余部分与仿真器连接进行整个系统的仿真验证。,参考：随机验证,20,仅仅以硬件描述语言来描述验证科目对应的验证模式，对于复杂验证对象，很难提高验证覆盖率。而且，相比较人所想定的验证模式，没有想到的验证模式更加重要。,因此，以验证模式描述语言,*1,生产随机的验证模式并按照随机时序输入的验证方式被提出，即所谓随机验证。随机验证有利于在早期阶段提高验证覆盖率，作为缩短硬件验证周期的技术已变得越来越重要。,*1. e,语言、,PSL,语言,(Property Specification Language),、,SCV,、,SystemVerilog,等,本讲的内容,21,1,功能、逻辑验证概要,2,功能、逻辑验证方式,(1)Simulation,方式,(2)Emulation,方式,(3),形式验证方式,(4)HW/SW,协调验证方式,3,高位综合与验证,4,验证方式的比较,第九讲 功能、逻辑验证,Emulator,22,Emulator,将作为验证对象的电路写入,FPGA,，使其以接近实际芯片状态进行工作的验证方式。,参考：,In Circuit Emulator,（,ICE,）,23,可从外部观察处理器动作的工具,- Break,：基于指定的条件中止程序执行的功能,- Realtime Trace:,不中止处理器运行，可观察执行历史记录的功能,-,评价芯片：目标芯片,+,具备调试功能的接口,- Emulation Memory,：用可读写存储器代替,ROM,Simulation,ICE,执行速度,慢,高,可利用时期,早,晚,功能,多,少,价格,低,高,参考：,Prototyping Board,24,BUS,用户电路,用户电路,BUS,将,CPU,等事先确定好的已得到充分验证部分做成评价板，再将待测试的用户电路写入,FPGA,的验证方式。,本讲的内容,25,1,功能、逻辑验证概要,2,功能、逻辑验证方式,(1)Simulation,方式,(2)Emulation,方式,(3),形式验证方式,(4)HW/SW,协调验证方式,3,高位综合与验证,4,验证方式的比较,第九讲 功能、逻辑验证,形式验证,26,仿真,形式验证,Property,验证,等价性验证,规格,测试模式,设计,规格,Property,设计,规格,设计,与参考值是否一致？,是否满足,Property,？,是否等价？,针对,某个输入,来验证设计是否满足规格,针对可证明,Property,的,所有输入,来验证设计是否满足规格,针对,所有输入,来验证设计是否与规格一致,形式验证：组合电路的等价验证,27,将逻辑转换为共同的表现形式，再进行比较以确定是否等价。,netlist,netlist,RTL,VS,VS,逻辑表现形式,逻辑表现形式,逻辑表现形式,比较,比较,形式验证：,BDD,（逻辑表现形式的例）,28,输入变量,分支,输出节点,BDD,的性质：,输入变量顺序相同并且逻辑等价时，,BDD,的形状一定相同。,输入变量顺序变化时，,BDD,的形状及大小也变化。,不擅长表现乘法、,XOR,组合电路等价验证系统的效果,29,RTL,netlist,If A then,if B then F=C;,else F=D;,Else F=E,；,比较,RTL,NET,的一致判定,逻辑式的,等价判定,形式验证工具,仿真结果的比较,以前的方法,验证时间,2,个小时,没有遗漏,验证时间,15,天,验证不充分,形式验证：,Property,验证,30,HDL,Property,读入,Property,验证,结果,反例,生成违反规格的测试模式,Safety Property,：,一定发生什么、绝对不发生什么。,例如：,A,一定小于,100,；,A,和,B,绝对不同时为,0,；,Liveness Property,：,满足某个条件时一定发生什么。,例如：当,A=1,时,B,一定等于,0,；,Property,验证：,（,1,）将验证科目以,Property,的形式描述。,（,2,）从,HDL,描述中抽出有限状态机。,（,3,）探索所有的状态空间，检查是否与,Property,描述一致。,等价验证：,Theorem Prover,31,算法描述,数学模型化,基于,逻辑简单化、,归纳法及,项目替代的,等价证明,本讲的内容,32,1,功能、逻辑验证概要,2,功能、逻辑验证方式,(1)Simulation,方式,(2)Emulation,方式,(3),形式验证方式,(4)HW/SW,协调验证方式,3,高位综合与验证,4,验证方式的比较,第九讲 功能、逻辑验证,HW/SW,协调验证的效果,33,【,以前的设计,】,系统,设计,HW,设计,样片制作,SW,设计,根据经验确定体系结构,接口错误的疏忽！,HW,验证,设计错误,芯片改版,HW,验证,等待时间,SW,验证,系统,验证,用,SW,回避发现的,HW,错误,直到最后才发现性能未达标,【,系统级设计,】,HW,设计,SW,设计,系统设计,HW,验证,SW,验证,系统验证,样片制作,最终,系统,确认,开发周期缩短,HW/SW,协调验证的抽象度,34,HW,SW,算法级,C,模型,RTL,设计,RTL,协调验证,协调验证,协调验证,C,代码,编译,机器代码,ISS,模型,RTL,处理器模型,本讲的内容,35,1,功能、逻辑验证概要,2,功能、逻辑验证方式,(1)Simulation,方式,(2)Emulation,方式,(3),形式验证方式,(4)HW/SW,协调验证方式,3,高位综合与验证,4,验证方式的比较,第九讲 功能、逻辑验证,高位综合的验证问题,36,C,RTL,高位综合,算法级验证,C,语言调试的印象,高速，但无时序信息,RTL,验证,HDL,仿真验证的印象,包含逻辑及时序信息，但速度很慢,验证精度、验证时间上存在很大差异,时钟级验证模型,37,C,RTL,高位综合,算法级验证,C,语言调试的印象,高速，但无时序信息,RTL,验证,HDL,仿真验证的印象,包含逻辑及时序信息，但速度很慢,时钟精度的,HW,验证、系统级的性能评估,HW/SW,的,I/F,时序验证,时钟级验证,时钟级验证模型,高速化,追加,高位综合的调试问题,38,综合导致寄存器、运算器的共享,数据通道与,FSM,的分离,必须具备,C,代码层次的调试功能,代沟,C,语言与,RTL,的对应非常复杂，,RTL,仿真的调试非常困难！,高位综合后的调试功能例（,Cyber,）,39,C,代码显示功能,将,FSM,上现在状态的位置置换显示为,C,代码的行位置。,C,变量值显示功能,将数据通道上寄存器的值置换显示为,C,代码的变量。,本讲的内容,40,1,功能、逻辑验证概要,2,功能、逻辑验证方式,(1)Simulation,方式,(2)Emulation,方式,(3),形式验证方式,(4)HW/SW,协调验证方式,3,高位综合与验证,4,验证方式的比较,第九讲 功能、逻辑验证,验证工具的处理速度,41,描述,抽象度,算法级,验证,RTL,验证,门级,验证,1,10,100,几十万,几千万,几亿,验证,时钟数,Macro,设计,芯片设计,系统设计,（,SOC),HDL,Simulator,Netlist,Simulator,Cycle,Based,Simulator,C Simulator,Hardware,Simulator,Emulator,C+ Simulator,+,FPGA Board,形式验证,总结,42,System LSI,的验证时间占,LSI,开发周期的,70%,，缩短验证时间显的非常重要。,在设计的后期阶段才发现问题的话，会导致重新设计周期变长，因此有必要在初期设计阶段进行验证。尤其是在,LSI,制造前必须找出所有的设计错误。,验证有,Simulation,、,Emulation,、形式验证等几种方式，各个方式各有所长，有必要分开利用。,HW/SW,协调验证可以同时验证,HW,及,SW,，这将缩短,LSI,开发周期。,设计抽象度需要充分考虑验证速度与验证精度的权衡。,