基于模拟存储器的FPGA原型验证系统

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本文提出了一种基于模拟存储器的 ＦＧ Ｐ Ａ原型验证
系统 ， 即通过 Ｐ Ｃ机软 件模拟 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ原 型验证 板上 的大规 模存储器。这一技 术可大 大提 高 Ｆ Ｇ 原型验 证板 的可 ＰＡ
调性
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图 ２ 模 拟存储 的 实现结构 图
储带宽为 ４０ ｂｓ ８Ｍ ／等。
另外 ， 从硬件 设计 的可实现 问题上 看 ， 将 Ｆ ＧＡ原 要 Ｐ 型验证板上 的存 储器请求 转发 到 Ｐ Ｃ机 上， 要在印 刷电 需 路板上 布置 与 】 ℃机 外设接 口的标 准接 口芯 片， Ｐ Ｆ ＧＡ需 实现与这一标准接 口芯片 的通信逻辑 。观察 现有标准接 口 芯片 ， 其与 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ端 的接 口基本 上都采用 的是类并 口协议 或其他简单 的标准通信协 议， 因此易 子在 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ上实 现与 其通信的逻辑功能 。 Ｐ Ｇ机上软件 的主要功能 为接 收存储 请求、 访问模拟存 储空间和记录整个访 问过程 ， 使用高级 编程语言进 行设 可 计， 易于实现 。 综上分析 用 Ｃ机软件来 模拟 Ｆ ＧＡ原型验证 板的 ， Ｐ Ｐ 大容量存储器是完全可行 的。
有软件模拟器、 硬件加 速器，Ｐ Ａ原型系统等０ 验证的 ＦＧ １
一般流程是首先产生 一系列 的测试 向量或程 序， 然后将 测 试向量或程序加载 到设 计上 ， 运行 模拟仿 真工具 得到测试 结果 ， 将这些结果与期望值相 比较 ， 以此来验证设计 的正确 性圈。 从模 拟速 度上看 ， 软件模拟器 的模 拟速度最慢 ， 以被验 证 目标 的主时钟频率来 衡量 ， 百万 门级规模 的设计 在软件
２ Ｐ Ａ原型验证系统简介 Ｆ Ｇ
传统 ＡＳ Ｃ芯 片的功能验证流程一般 采用 自底 向上的 Ｉ 验证过程 ， 先进 行模块 级 的功能验 证 ， 后是 部件 级验 首 然 证， 最后进行 系统级验证 。随着验证级别 的提 高， 所使用的 测试用例 也越 复杂 ， 所需要的验证资源也越 多。Ａ Ｉ ＳＣ芯片 规模 的快 速增 加使得通过软件模拟器进 行系统级验证的方 法 已不能满 足验证 速度的需求 ， 因此 出现 ｒ使用 Ｆ ＧＡ芯 Ｐ 片映射 Ａ Ｉ ＳＣ系统级 功能模 型的 功能验证 方法 ， 即设 计一 个印刷 电路板 ， ＡＳＣ的逻辑 功能用 Ｆ Ｇ 将 Ｉ Ｐ Ａ芯片 （ 或芯片 组） 实现 ， 同时 在板 上集成 ＡＳＣ芯片所需 的外设和存 储器 Ｉ 等设备 ， 用接近 ＡＳＣ芯片实 际运行 环境 的仿真 系统 运行 Ｉ 测试用例 。这样 的验证 系统称 为 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ原 型验证 系统， 典 型结构如 图 １ 所示 。
首先 ， 当前主流 Ｐ Ｃ机 的物理 内存容量 已达 到 １ Ｂ左 Ｇ 右， 再结合操 作系统的虚拟存储技 术， 基本上 可以将 Ｐ Ｃ机 看作是海量 存储器 。而绝 大多数 Ｆ ＧＡ 原型验 证板所 需 Ｐ 的存储器 容量一般在 １ Ｂ以内 ， Ｇ 因此 Ｐ Ｃ机 的存储容 量是 可 以满足要求 的。 其次 ，Ｐ Ａ原型验证板的存储带宽需求 一般在 １ Ｂ Ｇ Ｆ Ｇ／ ｓ以下 ， 特别是对 于百 万门级 以上规模 的设计 ， 由于 Ｆ Ｇ ＰＡ 原型所能实现 的最 高工作频率 较低 ， 因此 其存储带 宽需求 也会相应降 低， 一般小 于 ５０ ／。主 流 Ｐ ０ＭＢ ｓ Ｃ机的外 设存 储带宽可 以满足 上述带 宽要求 ， Ｐ Ｉ 如 ＣＥ接 口的存储 带宽 为 １ ／，Ｃ 接 口的存储带宽为 ５８ ／， Ｂ接 口的存 ＧＢｓＰ Ｉ ２ＭＢｓＵＳ
外设按口
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图 １ Ｐ Ａ原型验证板典型结构 Ｆ Ｇ Ｆ ＧＡ原型验证系统 的优 点是运行速 度快， Ｐ 工作 环境 接近于真实环境 ．但是 ， 缺点也是 明显 的。由于不 能方 其 便地记录运行状 态和轨迹 ， 也很难设 置调试 断点和 观察窗 口， 因而可调试性差 。一旦运 行验证 程序的过 程中 出现错 误， 很难定位错误发生 的原因和位置 ， 即使使用 高档的逻辑 分析仪等设备 ， 所能记 录的执行轨迹也是 十分有 限的 如何提高 Ｐ Ｆ ＧＡ原型验证系统 的可调试 性， 于加速 对 ＡＩ ＳＣ芯片的功能验证 过程 具有重要 意义 。下 面将提 出一 种提高 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ原型验证 系统可调性的方法 。该方法将 Ｆ － Ｐ Ｇ 八上的存储请求 映射 到 Ｐ ， 上 ， １ 机 软件来模拟 真 Ｃ机 用 ｛ 实存储系统的行 为， 这里称 之为模拟存储器技术 。
模拟器上的运行速度一般可达到 １Ｈ －１Ｋ ｚ在硬件 Ｋ ｚ ０Ｈ， －
１ 引言
统计显示 当前 ＡＳＣ芯 片功能验 证 的时 间通常 占全 ， Ｉ 部设计周期的 ５ ％以上 。如何 提高功 能验 证 的效率 已成 ０ 为一个巨大的挑战 。目前， ＳＣ芯片的功能验 证工具主要 ＡＩ
加速器上的运行速度可 达到 １０ Ｈｚ ０ＫＨｚ而 Ｆ ＧＡ ０Ｋ －３０ ， Ｐ 原型验证板一般 能够 实现 ＩＭＨ－ １０ ：的仿 真速度 。 ０ ０ＭＨ 但是， 可调性上来看 ， 从 软件模 拟器 的可调性最好 ， 硬件加 速器次之，Ｐ Ｆ ＧＡ原型验证板的可调性最差 。 由于 Ａ Ｉ Ｃ芯片的设计 规模 和复 杂度空 前提高 ， Ｓ 基于 软件模拟 器来验证整个设计 模型所需要的验证时间越来越 不可接受 。因此 ， 一般验证 过程采 用软件模 拟验证￣ 硬件 加速 器验证￣Ｆ ＧＡ原型验 证的 三级层 次化验证环境 ， Ｐ 以 保证设计 的功能正确性 和验证 效率。随着设计规模和复杂 度 的快速提高 ， 对于某些大 型验证 程序， 即使使用硬件加速 器来验证 ， 其仿真速度也不 能满 足要求。而且， 硬件加速器 价格高 昂， 对于降低研发成本 十分不利。因此， 研究如何增
收 摘 日期 ；０ ６０－３修订 日期 ：０６１－６ ２ ０－９１ ； ２０ －２０
基金项目 国家自 然科学基金资助项 目（０７０８； ６３６１）国家８３ ６计划资助项目（ ０Ａ １ ２） ２ ５ＡＩ ０ ０ ０ ０
作 者简 介： 明（９ ９ ， 辽 宁康平 人 ， 士 ， 张 １７ 一〕男， 硕 研究实 习员 ， 研究 方向 为 计 和微电 子技术 备 周宏 伟， 博士 生， 究方 向 为 研 微处 理器 设计 和微电 、 微电子技 术。 通讯 地址 ：１０ ３湖南 ４０ ７ Ａｄｒｓ： ｏｌ Ｃｏ ｕｅ ＳｉｎｅＮａｉｎｌ ｉｅｓｙ Ｄ ｆｎｅ ｃｎｌｇ ， ａ ｇｈ． ｎｎ ０７ ． Ｃｈｎ ｄ ｓＳｈｏ ｏ ｍｐｔｒ ｅｃ． ｔ ａＵｎｖｒｉ ｏ ｅｅ ｓ Ｔｅｈ ｏｏｙＣｈｎｓａ Ｈｕ ａ ４ ０ ３Ｐ Ｒ． ｉａ ｅ ｃ ｆ ｃ ｏ ｔ ｆ １ ．
基于模拟存储器的 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ原型验证系统‘ Ａ Ｇ Ｐ ｏｏｙ ｅ ｉｃ ｉ －ｒｔｔｐ Ｖ ｒｉ ｔ ｎ Ｆ Ａ Ｐ ｅ ｆａｏ Ｓ ｓ ｍ ｅ ｏ ｉ ａ ｄ ｍ ｒ ｅ Ｂ ｓｄ Ｓ ｌ ｅ Ｍｅ ｏｙ ｙｔ ａ ｎ ｍｕ ｔ
张 明． 周宏伟 ， 民选 张 Ｚ Ｎ Ｍｉ ，Ｈ Ｕ ｏｇｗ ｉ Ｈ Ｎ Ｍｉ－ ａ ｕｎ ＨＡ Ｇ ｎ ７ Ｏ Ｈ ｎ ｅ， Ａ Ｇ ｎｘ ｇ Ｚ （ ） 国防科技 大学计算机学院， 湖南 长沙 ４０７ １０３
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强 Ｆ ＧＡ原型系统的可调性具有重 要的 现实意义 ， Ｐ 对于降 低研发成本和加快功能验证速度具有 很好的实用价值 。
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计算机工程与科学
ＣＯＭ ＰＵＴＥＲ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ＆ Ｓ ＥＮＣＥ ＣＩ
２０ ０７年第 ２ ９卷第 ６期
Ｖｏ ２ ． Ｎｏ ６ ２０７ ｌ ９， ． ０ ．
文章编号：０７１０ ２０ ）６０８－２ １０－３Ｘ（０７０－０７０
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摘 要： 当前 ＡＳＣ功能脸证 流程中，Ｐ Ｉ Ｆ ＧＡ原型验证 系统的可调试性一直是 制约脸证速度 的重要 障碍。本文提 出了 一种模拟存储 器技 术， 即将 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ板 上的存储诸 求映射到 Ｐ Ｃ机上， Ｃ机上的软件 模拟存储器的行为 。通过此技术 ， 由Ｐ 功 能脸证 工程 师可以非常方便 地记 录和分析测试 用例的执行杭迹， 以及设 ！访存事务级 的断点等， 大大增加 了脸证板的可调 性 。同时 ， 模拟存储 系统 的设计复 杂度和成本也低 于由硬件 实现的大容童存储 系统， 有助 于降低 Ｆ Ｇ 原型脸证 板的设 ＰＡ 计复 杂度 。 Ａ ｓ ａｔ ｎ ｃｒｅｔ Ｃ ｃｏａｖｒｉ ｉ ｆ Ｉ ｔｅ ｒｎ Ａ Ｉ ｆｎｔ ｎｌ ｉｃｔｎ ｗ， ｄｂｇａｉｔｆｒ ＧＡ ｐ ｔｔｐ ｖｒｉ ｔｎ ｓ ｍｓ ｂｔ ｃ： ｈ ｕ ｒ Ｓ ｕ ｉ ｅ ｆａｏ ｌ ｔｅ ｕｇｂｉ ｏ Ｆ ｏ ｈ ｅ ｌｙ Ｐ －ｒ ｏｙｅ ｉｃ ｉ ｓ ｔ ｉ ｏ ｅ ｆａｏ ｙ ｅ ｓ ａ ｉｏ ｓ ｃ ｔａ ｒｓ ｉｓ ｖｒｉ ｔ ｎ ｅｄ Ａ ｗ ｌｔ ｍｅ ｒ ｔ ｈｏｏｙ ｐｏｉ ｄ ｔｉｐｐｒ Ｉ ｔｉ ｍａｎ ｔ ｌ ｈｔ ｔｃ ｔｅ ｉｃ ｉ ｓ ｅ． ｎ ｓ ａ ｄ ｍｏｙ ｎｌｇ ｉ ｒｖ ｅ ｉ ｈｓ ｅ． ｈ ｂ ａ ｅ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｆａｏ ｐ ｅ ｉ ｍｕ ｅ ｅ ｃ ｓ ｄ ｎ ａ ｎ ｓ ｔ ｈｏｏｙ ｍｅ ｒ ａｃｓｅ ｉｔｅ Ｇ ｂａｄ ｍａｐｄ ａ ａｄ ｌｔ ｂ ｓｆｗ ｒ． ｃｏａｖｒｉｔ ｎ ｅ ｎ ｌｇ， ｍｏｙ ｅｓｓ ｈ Ｆ Ａ ｒ ａｅ ｐｅ ｔ Ｐ ｎ ｓ ａ ｄ ｏｔａｅＦ ｎｔ ｎｌ ｉｃ ｉ ｅ－ ｃ ｃ ｎ Ｐ ｏ ｒ ｏ Ｃ ｉ ｍｕ ｅ ｙ ｕ ｉ ｅｆ ａｏ ｎ ｇ ｅｒ ｃｎ ｏｄ ｄ ｌｚ ｔｅ ｅｕｉ ｔ ｃ ｏ ｔ ｔ ｃｓｓａｄ ｔｅ ａｐｉｔ ｏ ｔｅ ｍｏｙ ｅｓ ｎａ－ ｉ ｅｓ ｒｃｒ ａ ａａｙｅ ｅ ｃｔｇ ｋ ｅ ｕｅ ｅ， ｓｔ ｂｅｋｏ ｓ ｈ ｍ ｎ ａ ｅ ｎ ｎ ｈ ｘ ｎ ｒ ａ ｆ ｓ ａ ｓ ｎ ｅｈ ｒ ｎ ｆ ｅ ｒ ａｃｓ ｔ ｓｃ ｃ ｒ ａ ｔｎｌ ｅｃｎｅｉ ｔ ， ｉ ｇｅｔ ｉ ｒｖｓ ｄｂｇａｉｔ ｏｔｅ ｉｃｔ ｎ ａ ． ａｗｈｌ ｔｅ ｌｘｙ ｄ ｉ ａ ｌ ｌ ｖｎｅ ｌ ｗｈ ｈ ａｌ ｍｐ ｅ ｔｅ ｕｇｂｌｙ ｈ ｖｒｉ ｉ ｂ ｒ Ｍｅｎ ｉ， ｃｍｐｅｉ ａ ｏ ｅ ｖ ｏ ｎｙ ｃ ｒ ｙ ｏ ｈ ｅ ｉ ｆ ｅ ｆａ ｏ ｏ ｄ ｅ ｈ ｏ ｔ ｎ ｃｓ ｏ ｓ ｕａｅ ｍｅ ｒ ａｅ ｒ ｎ ｕｌ ｄ ａｅ ｔ ａ ｇ ｍｅ ｒ ｓｓｅ ｗｈ ｂ ｈｌｕ ｔ ｄｃｅｓ ｔｅ － ｏｔ ｉ ｌ ｄ ｍｏｙ ｌ ｆ ｔ ｍ ｒｏ ｗｅ ｔａ ａｔａ ｈｒｗ ｒ ｗ ｈ ａ ｅ ｍｏｙ ｔ ｈ ｃ ａ ｉ ｌｒ ｙ ｍ， ｉ ｉ ｅ ｆｌ ｅｒａｅ ｃｍ ｃ ｓ ｐ ｏ ｈ ｏ ｐ ｘｔ ｏ ｔｅ Ｇ －ｒｔｔｐ ｖｒｉ ｔ ｎ ａｄ ｌ ｉ ｆ Ｆ Ａ ｐ ｏｙｅ ｉｃ ｉ ｂ ｒ． ｅ ｙ ｈ Ｐ ｏ ｅｆａ ｏ ｏ 关健词 ： Ｃ Ｆ Ｇ 模拟存储器 ； Ｉ； Ａ； ＡＳ Ｐ 功能验证 Ｋｙ ｒ ： ＣＦ ＧＡ； ｌｔ ｍｅ ｏｙｆｎｔｎｌ ｉｃｔｎ ｓＡ Ｉ； ｅｗ ｄ Ｓ ｏ Ｐ ｓ ａｅ ｉ ｍｕ ｄ ｍ ｒ； ｃｉ ａ ｖｒｉ ｉ ｕ ｏ ｅｆａｏ 中图分类号 Ｔ ３２ ：Ｐ ３ 文徽Ｙｉ０ ： ｘｇ Ａ