高度可配置参数化UVM IP验证环境
【路科验证】高度可配置参数化UVM IP验证环境...
摘要：
参数化的IP是可配置的，这意味着在不同的SOC中IP设计可以有不同的设计参数，设计参数可以对应到协议、端口号、端口名称、以及内部逻辑。大量的IP设计参数非常影响验证环境的构建，比如testbench的连接、驱动器、监视器、仿真序列以及功能覆盖率的建立。
本文呈现出了一种使用UVM验证方法学构建基于高可配置性的高级微处理器总线架构（AMBA）的IP验证环境，其中会使用到Synopsys公司的AMBA VIP和Ruby脚本。该验证环境可以支持通过使用AMBA设计参数进行自动化的验证环境更新，包括IP preprocess、IP testbench以及IP MODULE UVC。
同时本文也会介绍如何去做testbench绑定连接的垂直复用和水平复用，验证IP（VIP）、序列（sequence）的复用、UVM环境配置、记分板（socreboard）复用以及覆盖率（coverage）。
通过项目最终结果表明，当参数化的IP改变它的设计参数并且集成到不同的SoC中时，使用该方法可以减少30%的额外资源需求。
关键字：可配置化，水平复用，垂直复用，参数化IP，通用验证方法学（UVM）
1. 简介
参数化的IP设计是加速行业的趋势。同样地，在不同的参数配置、不同的SoC项目中使用使用IP设计也是一个加速的趋势。这些趋势虽然提高了RTL的开发效率，但是也带来了许多新的验证要求。
Janick Bergeron曾写道”在数百万门asic和fpga的时代，可重用IP、系统级芯片（SoC）设计，验证花费约占70%项目周期[1]”。验证通常来说是直接处在项目进度的关键路径上的，对于理解如何让一个验证环境自动地适应不同的IP设计参数，以及当IP设计参数变化后验证人员只需花费最少的努力是至关重要的。
为了减少验证的时间消耗，验证环境必须做成高度可配置型以及易复用型，本文详细描述了如何开发可配置和可复用型的验证平台组件，以及如何通过设计参数自动化地配置它们。在本文中该方法被称为是一种自适应的IP验证环境。
2. 参数化IP验证的挑战
当设计需要在多参数配置的环境中验证时，共享参数就成为一个挑战[2]。手动在验证环境中更新新的设计参数是一件很复杂的工作。其中包括了修改验平台的连接关系；添加或者减少驱动器（driver）、监视器（monitor）、记分板（scoreboard）的数量；以及调整功能覆盖率（function coverage）和断言（assertion）等等。
通常使用的方法是使用红（`ifdef）去区分不同的设计参数。典型地，一个设计拥有一组宏，但是当项目规模不断的增长时，这种方法对于验证平台的调试以及后续的维护就变得非常复杂。
在下一部分我们将会介绍一个自使用的IP验证环境专门去应对这个挑战。
3. 自适应参数化IP验证环境架构
本文中，参数化的IP设计是一种高级的微处理器总线，它连接了一组AXI,AHB,APB 的masters和slaves。端口的位宽和端口的协议、端口号、内部寄存器基址以及计数器初始值都可以被设计参数参数化控制。
如图1所示，这个自适应的IP验证环境包括了第三方IP的预处理、IP验证平台以及相对应IP模块的通用验证组件（UVC）。
3.1 IP预处理（IP_PREPROCESS）
IP预处理机制需要将所有的IP设计参数都放入一个参数组中，之后这个组将会被预处理，为设计生成一个参数文件去使用，同时一个全局的ruby数组@@FEATURES也会被生成去给验证使用。本文主要关注的是验证这一部分:
这个全局的Ruby数组@@FEATURES存储着所有的IP设计参数，无论什么时候IP设计参数被改变，这个全局的Ruby数组在VCS仿真运行之前会自动地更新。3.2 IP 验证平台（IP_TESTBENCH）
IP 验证平台是由一个IP模块UVM组件（UVC）、一个Ruby主程序、一个绑定结合了模块的Ruby程序以及一个断言Ruby程序，其中这三个Ruby程序均是在VCS仿真之前执行的，并且自动地扑获IP设计参数。
（A）这个IP模块通用验证组件（UVC）的主要功能是通过生成带约束的随机事物去模拟一些行为场景，监视DUT的响应，确保DUT的功能工作正常，检查协议活动的有效性，并且收集覆盖率数据。这些内容将会在在第五部分详细描述。
（B）这个Ruby主程序遍历了上面所讲的那个全局的Ruby数组@@FEATURES，并且将里
面所有的IP设计参数都转换成一个SystemVerilog 类里面的属性---本文中ip组件的特性是实例化ip的特性，所有SV类中的属性储存着所有IP设计参数。代码如下所示，该UVC通过ip设计特性进行配置操作。
（C）绑定Ruby程序的模块绑定其作用是连接DUT模块和验证平台（testbench）。下面的代码部分描述了Synopsys SVT AXI slave接口实例的数目是被IP设计参数”axi slave”所控制的，AXI slave接口信号wdata和awaddr的连接使它能够过IP设计参数控制的:
本文使用了uvm_resource_db在一个顶层模块中进行接口实例的绑定：
之后UVM验证环境在动态的驱动器（driver）、监视器（monitor）类中通过使用虚接口（virtual interfaces）去访问静态接口[3]，然后验证环境通过读取uvm_resource_db去检测取回绑定的接口实例：
这种接口绑定能够被直接复用到芯片级（chip level），因为IP设计模块名称在IP级验证环境和SoC整个芯片级验证环境中是保持一致的。
（D）断言Ruby程序把IP设计参数传递给一种类型与设计模块功能相关的断言。这些断言通过IP设计说明书被创建，并且断言的属性在时许表达式中使用本地变量（local variables），因此它是自适应的。这些断言被放置在一个接口中，然后绑定到DUT模块。对于DUT模块可以被复用到SoC级和不同的项目，因此它们在垂直复用和水平复用都可以适用：
4. 自适应参数化IP模块通用验证组件（UVC）结构
IP_MODULE_UVC是从uvm_env扩展而来，其中包含了AMBA SVT VIPs,预测器（predictors）、计分板（scoreboards）、监视器（monitors）、IP模块通用验证组件配置对象（IP module UVC configuration object）、基本的事物序列（basic sequence）以及全局的虚的事物序列发生器（global virtual sequencer）。图3阐述了IP_MODULE_UVC。
这个SystemVerilog特性的类-ip_component_features在4.2部分将会被被生成，并且它是被初始化在名为ip_features的IP模块UVC配置对象中。其中IP_MODULE_UVC中的每一个组件都可以通过IP设计参数进行配置和控制。
4.1 AMBA SVT VIPs
Synopsys AMBA SVT VIP 是一个通用验证组件其中包含了主代理（master agents） 和从代理（slave agents）、驱动器（drivers）、生成器（sequencers）、监视器（monitors）、配置对象（configuration objects）、协议检查器（protocol checker）、功能覆盖组（functional covergroups）、约束随机序列（constrained random sequences）以及事务包（transaction packets）。
（A） 实例化AXI、AHB以及APB SVT UVC
正如图2描述的那样，为了让环境中的agents自动地得到IP设计参数，本文中在IP_MODULE_UVC所创建的AXI、AHB以及APB SVT UVC动态数组如下：
（B） 配置AXI、AHB以及APB SVT UVC
AMBA SVT UVC配置类[4]在模块UVC配置对象中实例化并且被连接到同样的位置去捕获IP设计参数，在UVM配置机制中[5]，AXI SVT UVC 以及APB SVT UVC 是通过IP设计参数在UVM build phase阶段被配置的。
4.2 自适应预测器以及计分板（self-adapting predictor and scoreboard）
预测器从AMBA UVC TLM 端口接受了一个真实的事务包，经过处理之后在通过TML 端口将被预测的事物发送给计分板，让计分板去检查事物的正确性。
正如图3所示，每一个slave都有一个计分板，预测器TML端口编号和计分板编号对于IP设计参数--ip_feature来说是自适应的，它们都是动态数组数据结构。当slave的数目减少时，计分板数目以及TML端口数目会自动减少；当slaves数目增加时，计分板数目以及TMl端口数目会自动地增加。
这些基本事物序列会提供激励源，本文中所提及的解决方案使用IP设计参数去控制事物序列的产生以及启动。
例如，当设计参数改变了一个AXI slave中的基址（base address）时，AXI地址激励会自动更新的。
4.4 自适应功能覆盖率（self-adapting functional coverage）
Synopsys 公司的AMBA SVT VIP 提供内部的AXI、AHB以及APB功能覆盖率；对于用户来说仅仅需要在VIP 卑职类中对它们做使能处理即可。
Synopsys 公司的AMBA SVT VIP对于IP设计自身的覆盖率也提供覆盖率回调操作。为了使用IP设计参数去控制功能覆盖率，本文延伸扩展了Synopsys公司的覆盖率回调类，在Synopsys覆盖率回调类中实例化ip_component_features，并且使用IP设计特性去配置覆盖点（cover point），因此覆盖点的自适应如下：
但是要在功能覆盖率中小心使用ip_feature，因为功能覆盖率应当一直来自于设计说明书（design spec），而不是直接来自于IP设计参数代码。
5. 复用自适应参数化IP验证环境
5.1 垂直复用（Veritical reuse）
垂直复用意味着复用是从IP级到SoC级。
（A） AMBA SVT VIP 复用
AMBA SVT VIP是由驱动器代理（driver agent）、监视器（monitor）以及协议检查器（protocol checker）组成；在IP级，所有以上三部分都是工作在active模式下的。当AMBA SVT VIP 被复用到SoC级，驱动器代理可以被配置成passive模式去工作，意味着它就不能产生master 请求或者slave 响应激励去驱动RTL信号；监视器和协议检查器工作在active模式。
（B） UVM事物序列复用（UVM sequence reuse）
至于事物序列，一般的事物序列是很难拿来复用的，因为它粘黏着接口协议；寄存器模型序列可以直接从IP级复用到SoC级，其中关键的一点是对于不同的协议去实现相应的寄存器适配器（register adapters）。
（C） 连接性复用（connection reuse）
自适应参数化IP验证环境在一下三个层面来处理连接性。
第一，如何把静态的RTL端口信号和动态的AMBA VIP连接起来？我们在静态的RTL世界里实例化真正的AMBA接口，在AMBA VIP中声明虚的AMBA接口，并且使用全局的uvm_resource_db去连接真实的AMBA 接口到虚的AMBA接口。如所示：
第三，如何让连接性自适应端口信号的变化？正如第三部分的描述，当设计参数变化时，端口信号可以被改变过来。5.2 水平复用（Horizontal reuse）
水平复用意味着复用是从一个项目到另一个项目。
整个IP模块通用验证组件可以直接被复用到不同的项目，因为对于IP设计参数来说它是自适应的。
然而，在一个新的项目中，用户可以扩展AMBA SVT VIP 内建的包，修改一些内容去适应新的项目需求。并且使用UVM工厂机制中的应用编程接口（API）set_type_override_by_type()或者set_inst_override_by_type()在仿真时候去替换旧的包。
6. 结果（result）
本文描述了一个使用AMBA VIP 的高可配置UVM验证环境。用这种方法，slaves个数、存储器寻址范围、地址和数据总线宽度以及端口名称都是IP设计参数，这些都可以在不同的项目中被修改。整个UVM验证环境对于那些IP设计参数的变化来说是自适应的。
因此，当IP设计参数改变时，仅仅只需要最小的精力投入就可以更新整个验证环境。模块通用验证组件（module UVC）通过新的参数直接自动化地创建正确合适的组件。预测器对于新的参数也是适应它自身的功能。测试平台的连接性自动化地增加或者删除端口。功能覆盖率和断言相对于新的IP设计参数来说也是自适应的。
整体来说整个UVM验证环境都是支持垂直复用和水平复用。
7. 结论（conclusions）
该方法改善了参数化IP验证效率，并且在UVM组件创建、UVM配置性、激烈序列约束、计分板、预测器、断言、功能覆盖组以及测试平台连接的灵活性。通过项目实施显示，当IP设计参数改变时，该方法减少了30%的额外资源需求。
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