集成电路验证
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第12讲 回顾和总结
•了解集成电路验证领域的基础知识 •掌握验证的基本流程和工作方法
•具备一定的验证实践能力
•了解集成电路验证领域的最新发展
来自百度文库
•了解集成电路验证领域的基础知识 •掌握验证的基本流程和工作方法
•具备一定的验证实践能力
•了解集成电路验证领域的最新发展
了解集成电路验证领域的基础知识
基础： • 现代集成电路设计面临的挑战 • 集成电路验证的概念和基本原理 • 集成电路验证的分类 原理： • 仿真器的分类 • 仿真器的组成 • 仿真器的原理 语言： • 设计语言（VHDL、Verilog、System C） • 验证语言（Open Vera、e、System Verilog）
• 搭建验证环境
－Bergeron Janick，“Writing HDL Models”. －Bergeron Janick，“Writing Testbench Testbench -Function Verification of eslog SystemVerilog”.
结果正确性检查 • 使用规则进行验证
• 事件驱动模拟验证
基于事件的仿真-------采用基于事件的仿真器，捕获事件（在 时钟内部或在时钟的边界上）并通过设计进行传播，直到实 现一个稳定状态为止。
模拟验证方法的局限性
• 非完备性,即只能证明有错而不能证明无错 • 一般适用于在验证初期发现大量和明显的设计错误, 对于验证后期出现的复杂和微妙的错误,常常面临调 试极其困难,甚至显得难以胜任. • 严重依赖于测试向量的选取,而合理而充分地选取测 试向量,达到高覆盖率是一个十分艰巨的课题. • 由于设计者不能预测所有错误的可能模式,所以尚未 发现某个最好的覆盖率度量. • 即使选定了某个覆盖率度量,验证时间也是一个瓶颈.
现代集成电路设计面临的挑战
规模 市场压力 低功耗设计 …
什么是集成电路的验证？
• 集成电路验证是检查 并确认集成电路设计 的各个阶段不偏离原 始的需求规范的过程 设计 • 验证几乎伴随着集成 电路设计的全过程， 因此验证的周期也是 与设计周期相辅相成 的。
设计需求 是否符合设计需求？ 算法描述 是否实现了所需算法？
基于事件的模拟器和基于周期的模拟器
• 基于事件的模拟 · 当且仅当器件的输入有事件发生时,才对器件的状态求值 · 当变量或信号的值发生改变时,相应更新事件触发所有引 用此变量或信号的器件进行求值. · 当一个变量或信号影响多个输出时,模拟器应分别计算每 个输出的延迟,并将事件放入相应事件片的事件队列 • 基于周期的模拟 · 适用于同步时序逻辑的模拟 · 模拟时组合逻辑采用零延迟模型,无法得到内部信号变化 的暂态信息 · 具有闭环的逻辑不适用基于周期的模拟
开发人员
实现功能
逸误分析
改进 设计 方法
需求规范 调试HDL和环境
功能需求规范
建立验证计划 计划审查
开发验证环境
验证流程
• 开发验证环境 包括确定性验证、随机验证、形式化的验证以及测试用 例生成器等。 • 调试HDL和环境 前期准备基本完成，对验证工程师来说，该阶段代表进入 收获阶段，可以真正发现并找到设计错误了。 • 回归测试 发现设计错误后，设计人员会修改原有的设计，为了检测 设计是否已经修改正确以及是否有引进了新的错误，必须 沿原有的验证轨迹重新执行验证过程，称为回归测试。 • 芯片制造 符合流片准则，设计人员会将完成的设计送芯片制造厂制 造。流片准则包括一系列的条件检查，确定逻辑设计、物 理设计、验证的完成情况，验证是其中最重要的部分。
• • • • • • • 测试向量生成（Stimulus Initiator） 参考模型建立（BFM） 搭建环境（Testbench generation） 响应采集（Response collection） 正确性检查（Checker，Monitor，ScoreBoard） 覆盖率检查（Simulation coverage） 集成验证环境（Integrated verification environment）
模拟器的组成
三个主要组成部分：
前端
对输入进行解析，建立程序内部各组成部分的对应关系， 形成对输入电路的一个完整描述,用以支持所有的后续处 理和操作
后端
模拟器的灵魂，决定了模拟器的类型，例：FPGA芯片 划分/电路布局布线
模拟引擎/控制器
输入生成后的代码（可以是C，C++、本机目标码）、 运行，允许用户交互
– 断言（assertion）检测技术 – 自检测（Self-check）技术
• 直接利用已有仿真结果进行验证
– 记分板（Scoreboard）技术 – 自检测（Self-check）技术
• 使用参考设计模型进行验证
- 直接结果比较
与模块级模拟验证相比，系统级验证正确性检查往往需要采用上述所 有的方法，由于系统结构和时序的复杂性，测试激励对应的响应的采 样往往具有多样性，增加了正确性检查的难度
逸误分析
对于硬件芯片阶段发现的错误，还要进行潜在错误分析， 能过躲过前期验证的错误，存在极大的隐蔽性，必须分析 其成因，重复性和危害性，避免再次发生类似问题。最好 能够在仿真验证环境中重复上述错误，确定修补或改正的 正确性。
验证结束的准则
根据不同的项目需求，验证结束的准则不尽相同。通常考 虑以下因素： 静态验证计划是否完成
集成电路验证的基本原理
设计路径 设计 设计需求 等价？ 替代设计
等价性检查
验证路径
设计 规范的设计需求 仿真输出 等效？
参考输出
“替代设计” 功能要求 设计需求
设计
满足？ 特定的表述方式
正确性检查
“替代设计”
集成电路验证面临的挑战
• 验证方法和工具与不断增大的设计规模不匹配 ----状态空间爆炸问题 • 验证周期增长 ----验证成为处理器设计流程中真正的瓶颈 • 调试更加困难 ---设计复杂度增加，规模增大，从RTL到门级网表的内部信号也 会随之增加，信号的层次深度也会越来越大，调试更加困难 • 需要更多的人力/物力资源投入 ---Intel Pentium4 验证投入10亿美元 Bob Bentley, ―Validating the Intel Pentium4 Microprocessor‖, Proc.38th Design Automation Conf.(DAC01),2001,pp.244-248 验证是证明一个设计能正确实现其功能的过程，然而，客观地 说，验证能发现/证明存在错误，不能证明一个设计绝对不存在错 误。
掌握验证的基本流程和工作方法
验证的基本流程 模拟验证方法（模块级、系统级） 覆盖率检验方法 断言检测方法 形式验证技术
覆盖率检查（Simulation coverage）
覆盖率一般表示一个设计的验证进行到什么程度，也是一个决 定功能验证是否完成的重要量化标准之一: 结构覆盖（Structural Coverage） 结构覆盖可以在仿真时由仿真器直接给出，主要用来检查RTL 代码哪些没有被执行到，使用结构覆盖可以有效地找出冗余代码， 但并不能方便地找出功能上的缺陷。包括：行覆盖率、分支覆盖 率、翻转覆盖率、状态（机）覆盖率等。EDA仿真工具可支持。 功能覆盖（Functional Coverage） 功能覆盖点既可以是接口上的信号，也可以是模块内部的信号， 可用在黑盒验证也可用在白盒验证中。使用功能覆盖可以帮助我 们找出功能上的缺陷。虽然EDA工具提供一定的语言和结构支持 （例如：Vera、e、SystemVerilog等），大部分工作量仍需要验证 工程师在设计者的协助下自定义完成。
正确性检查 验证
RTL描述 是否等价？
门级网表
等价性检查 是否等价？
物理版图
集成电路设计验证的覆盖范围
• 功能验证 功能验证的目标是确保实际设计实现规范文档中所描述的 功能，发现功能模块中存在的逻辑缺陷，保证逻辑设计的 正确性。 • 时序验证 静态时序分析：根据设计规范的要求通过检查所有可能路 径的时序。 动态时序分析：主要指的是门级（或对版图参数提取结 果）仿真。 • 物理验证 物理验证主要是进行设计规则检查、版图与原理图对照和 信号完整性分析。 • 性能验证 性能验证的目标是确保实际设计能够提供实现规范文档中 所要求的性能（如每秒执行的指令数，数据率等）。 • 功耗验证
参考模型建立
• 参考设计模型建立
－需要考虑参考模型自身的正确性问题，在简单易检测 的模型和复杂模型之间折中。 －建立模块级参考模型更需要考虑模块功能不独立所造 成的完备性问题及模块内时序的复杂性问题。 －系统级参考模型可能建立在多种设计层次和抽象层次 上，甚至存在不同设计层次和抽象层次模型混合验证的状 况，时序问题也更为复杂。
验证流程
调试芯片
前期验证速度受到仿真软件等的限制，运行测试向量数目 始终有限。到了真正流片回来，在真正的芯片上，调试向 量运行速度大大提高，可以启动操作系统并运行大量真正 的应用程序，完全有可能发现新的设计问题。但是，由于 芯片早已封装，发现问题容易，跟踪调试错误困难。如果 发现了错误，根据错误的级别，可以采用数码修补，软件 绕过的方式弥补。但对于某些较大的错误，可能不得不修 改设计重新流片。
•了解集成电路验证领域的基础知识 •掌握验证的基本流程和工作方法
•具备一定的验证实践能力
•了解集成电路验证领域的最新发展
掌握验证的基本流程和工作方法
验证的基本流程 模拟验证的方法（模块级、系统级） 覆盖率检验方法 断言检测方法 形式验证技术
验证流程
调试芯片 系统级测试 Tape out 回归测试
基于形式化方法的验证
• 形式化验证的常用方法介绍
定理证明 模型检验 等价性检验
• 形式化验证方法的局限性
形式化验证方法的局限性
适合模块级或中小系统级设计的验证
由于形式验证存在状态空间爆炸性增长的可能，当系 统变复杂时，验证将占用较多的计算机资源，耗时增 加。
解决办法：
采用能够解决更复杂问题的算法 当形式方法不能完全证明为正确时，则进行部分验证，通过 举出反例来协助验证。
形式验证的效果受到以下因素的影响：
设计规范是否存在错误 设计规范中的功能覆盖是否完整 用户可能发生的对规范的错误表述以及对设计的过度约束 形式验证软件程序本身的错误
验证方法比较:模拟vs形式化方法
速度 模拟验证 形式验证
DUT规模
完备性
准确性
复杂度
极限适用 性
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · —
测试向量生成方法示意
• 0：Deterministic • 1：specific scenario • 2： specific scenario with some random values
0 1 2 3 4 5 6
• • • •
3：Tightly constrained random environment 4： random environment 5： Fully random-illegal sequences 6：Random
将激励信号施加于设计，进行计算并观察输出结果，判断该 结果是否与预期一致。根据仿真模式的不同，可分为：
• 时钟驱动模拟验证
基于时钟周期的仿真-------采用基于周期的仿真器，完全不理 会时钟内部发生的事件，而是在每个周期中进行一次信号评 估，由于执行时间较短，这类仿真器的运行速度往往较快， 目前常用的仿真器VCS、NC-verilog、ModelSim都支持此类仿 真
集成电路验证的基本方法分类
• 基于模拟的验证
基于时钟周期的模拟 基于事件的模拟 硬件加速仿真验证
基于FPGA的验证方法 基于并行服务器的硬件加速仿真
• 基于形式化方法的验证
从不同角度可对形式验证方法做不同分类，通常分为：
定理证明 模型检验 等价性检验
基于模拟的验证分类
随机验证计划是否达到了足够的仿真节拍
是否满足了结构覆盖率标准 是否满足了微体系结构覆盖率标准 时间错误曲线特性是否达到了目标 市场变化导致的设计进度安排的调整
掌握验证的基本流程和工作方法
验证的基本流程 模拟验证方法（模块级、系统级） 覆盖率检验方法 断言检测方法 形式验证技术
模拟验证的构成要件
•了解集成电路验证领域的基础知识 •掌握验证的基本流程和工作方法
•具备一定的验证实践能力
•了解集成电路验证领域的最新发展
来自百度文库
•了解集成电路验证领域的基础知识 •掌握验证的基本流程和工作方法
•具备一定的验证实践能力
•了解集成电路验证领域的最新发展
了解集成电路验证领域的基础知识
基础： • 现代集成电路设计面临的挑战 • 集成电路验证的概念和基本原理 • 集成电路验证的分类 原理： • 仿真器的分类 • 仿真器的组成 • 仿真器的原理 语言： • 设计语言（VHDL、Verilog、System C） • 验证语言（Open Vera、e、System Verilog）
• 搭建验证环境
－Bergeron Janick，“Writing HDL Models”. －Bergeron Janick，“Writing Testbench Testbench -Function Verification of eslog SystemVerilog”.
结果正确性检查 • 使用规则进行验证
• 事件驱动模拟验证
基于事件的仿真-------采用基于事件的仿真器，捕获事件（在 时钟内部或在时钟的边界上）并通过设计进行传播，直到实 现一个稳定状态为止。
模拟验证方法的局限性
• 非完备性,即只能证明有错而不能证明无错 • 一般适用于在验证初期发现大量和明显的设计错误, 对于验证后期出现的复杂和微妙的错误,常常面临调 试极其困难,甚至显得难以胜任. • 严重依赖于测试向量的选取,而合理而充分地选取测 试向量,达到高覆盖率是一个十分艰巨的课题. • 由于设计者不能预测所有错误的可能模式,所以尚未 发现某个最好的覆盖率度量. • 即使选定了某个覆盖率度量,验证时间也是一个瓶颈.
现代集成电路设计面临的挑战
规模 市场压力 低功耗设计 …
什么是集成电路的验证？
• 集成电路验证是检查 并确认集成电路设计 的各个阶段不偏离原 始的需求规范的过程 设计 • 验证几乎伴随着集成 电路设计的全过程， 因此验证的周期也是 与设计周期相辅相成 的。
设计需求 是否符合设计需求？ 算法描述 是否实现了所需算法？
基于事件的模拟器和基于周期的模拟器
• 基于事件的模拟 · 当且仅当器件的输入有事件发生时,才对器件的状态求值 · 当变量或信号的值发生改变时,相应更新事件触发所有引 用此变量或信号的器件进行求值. · 当一个变量或信号影响多个输出时,模拟器应分别计算每 个输出的延迟,并将事件放入相应事件片的事件队列 • 基于周期的模拟 · 适用于同步时序逻辑的模拟 · 模拟时组合逻辑采用零延迟模型,无法得到内部信号变化 的暂态信息 · 具有闭环的逻辑不适用基于周期的模拟
开发人员
实现功能
逸误分析
改进 设计 方法
需求规范 调试HDL和环境
功能需求规范
建立验证计划 计划审查
开发验证环境
验证流程
• 开发验证环境 包括确定性验证、随机验证、形式化的验证以及测试用 例生成器等。 • 调试HDL和环境 前期准备基本完成，对验证工程师来说，该阶段代表进入 收获阶段，可以真正发现并找到设计错误了。 • 回归测试 发现设计错误后，设计人员会修改原有的设计，为了检测 设计是否已经修改正确以及是否有引进了新的错误，必须 沿原有的验证轨迹重新执行验证过程，称为回归测试。 • 芯片制造 符合流片准则，设计人员会将完成的设计送芯片制造厂制 造。流片准则包括一系列的条件检查，确定逻辑设计、物 理设计、验证的完成情况，验证是其中最重要的部分。
• • • • • • • 测试向量生成（Stimulus Initiator） 参考模型建立（BFM） 搭建环境（Testbench generation） 响应采集（Response collection） 正确性检查（Checker，Monitor，ScoreBoard） 覆盖率检查（Simulation coverage） 集成验证环境（Integrated verification environment）
模拟器的组成
三个主要组成部分：
前端
对输入进行解析，建立程序内部各组成部分的对应关系， 形成对输入电路的一个完整描述,用以支持所有的后续处 理和操作
后端
模拟器的灵魂，决定了模拟器的类型，例：FPGA芯片 划分/电路布局布线
模拟引擎/控制器
输入生成后的代码（可以是C，C++、本机目标码）、 运行，允许用户交互
– 断言（assertion）检测技术 – 自检测（Self-check）技术
• 直接利用已有仿真结果进行验证
– 记分板（Scoreboard）技术 – 自检测（Self-check）技术
• 使用参考设计模型进行验证
- 直接结果比较
与模块级模拟验证相比，系统级验证正确性检查往往需要采用上述所 有的方法，由于系统结构和时序的复杂性，测试激励对应的响应的采 样往往具有多样性，增加了正确性检查的难度
逸误分析
对于硬件芯片阶段发现的错误，还要进行潜在错误分析， 能过躲过前期验证的错误，存在极大的隐蔽性，必须分析 其成因，重复性和危害性，避免再次发生类似问题。最好 能够在仿真验证环境中重复上述错误，确定修补或改正的 正确性。
验证结束的准则
根据不同的项目需求，验证结束的准则不尽相同。通常考 虑以下因素： 静态验证计划是否完成
集成电路验证的基本原理
设计路径 设计 设计需求 等价？ 替代设计
等价性检查
验证路径
设计 规范的设计需求 仿真输出 等效？
参考输出
“替代设计” 功能要求 设计需求
设计
满足？ 特定的表述方式
正确性检查
“替代设计”
集成电路验证面临的挑战
• 验证方法和工具与不断增大的设计规模不匹配 ----状态空间爆炸问题 • 验证周期增长 ----验证成为处理器设计流程中真正的瓶颈 • 调试更加困难 ---设计复杂度增加，规模增大，从RTL到门级网表的内部信号也 会随之增加，信号的层次深度也会越来越大，调试更加困难 • 需要更多的人力/物力资源投入 ---Intel Pentium4 验证投入10亿美元 Bob Bentley, ―Validating the Intel Pentium4 Microprocessor‖, Proc.38th Design Automation Conf.(DAC01),2001,pp.244-248 验证是证明一个设计能正确实现其功能的过程，然而，客观地 说，验证能发现/证明存在错误，不能证明一个设计绝对不存在错 误。
掌握验证的基本流程和工作方法
验证的基本流程 模拟验证方法（模块级、系统级） 覆盖率检验方法 断言检测方法 形式验证技术
覆盖率检查（Simulation coverage）
覆盖率一般表示一个设计的验证进行到什么程度，也是一个决 定功能验证是否完成的重要量化标准之一: 结构覆盖（Structural Coverage） 结构覆盖可以在仿真时由仿真器直接给出，主要用来检查RTL 代码哪些没有被执行到，使用结构覆盖可以有效地找出冗余代码， 但并不能方便地找出功能上的缺陷。包括：行覆盖率、分支覆盖 率、翻转覆盖率、状态（机）覆盖率等。EDA仿真工具可支持。 功能覆盖（Functional Coverage） 功能覆盖点既可以是接口上的信号，也可以是模块内部的信号， 可用在黑盒验证也可用在白盒验证中。使用功能覆盖可以帮助我 们找出功能上的缺陷。虽然EDA工具提供一定的语言和结构支持 （例如：Vera、e、SystemVerilog等），大部分工作量仍需要验证 工程师在设计者的协助下自定义完成。
正确性检查 验证
RTL描述 是否等价？
门级网表
等价性检查 是否等价？
物理版图
集成电路设计验证的覆盖范围
• 功能验证 功能验证的目标是确保实际设计实现规范文档中所描述的 功能，发现功能模块中存在的逻辑缺陷，保证逻辑设计的 正确性。 • 时序验证 静态时序分析：根据设计规范的要求通过检查所有可能路 径的时序。 动态时序分析：主要指的是门级（或对版图参数提取结 果）仿真。 • 物理验证 物理验证主要是进行设计规则检查、版图与原理图对照和 信号完整性分析。 • 性能验证 性能验证的目标是确保实际设计能够提供实现规范文档中 所要求的性能（如每秒执行的指令数，数据率等）。 • 功耗验证
参考模型建立
• 参考设计模型建立
－需要考虑参考模型自身的正确性问题，在简单易检测 的模型和复杂模型之间折中。 －建立模块级参考模型更需要考虑模块功能不独立所造 成的完备性问题及模块内时序的复杂性问题。 －系统级参考模型可能建立在多种设计层次和抽象层次 上，甚至存在不同设计层次和抽象层次模型混合验证的状 况，时序问题也更为复杂。
验证流程
调试芯片
前期验证速度受到仿真软件等的限制，运行测试向量数目 始终有限。到了真正流片回来，在真正的芯片上，调试向 量运行速度大大提高，可以启动操作系统并运行大量真正 的应用程序，完全有可能发现新的设计问题。但是，由于 芯片早已封装，发现问题容易，跟踪调试错误困难。如果 发现了错误，根据错误的级别，可以采用数码修补，软件 绕过的方式弥补。但对于某些较大的错误，可能不得不修 改设计重新流片。
•了解集成电路验证领域的基础知识 •掌握验证的基本流程和工作方法
•具备一定的验证实践能力
•了解集成电路验证领域的最新发展
掌握验证的基本流程和工作方法
验证的基本流程 模拟验证的方法（模块级、系统级） 覆盖率检验方法 断言检测方法 形式验证技术
验证流程
调试芯片 系统级测试 Tape out 回归测试
基于形式化方法的验证
• 形式化验证的常用方法介绍
定理证明 模型检验 等价性检验
• 形式化验证方法的局限性
形式化验证方法的局限性
适合模块级或中小系统级设计的验证
由于形式验证存在状态空间爆炸性增长的可能，当系 统变复杂时，验证将占用较多的计算机资源，耗时增 加。
解决办法：
采用能够解决更复杂问题的算法 当形式方法不能完全证明为正确时，则进行部分验证，通过 举出反例来协助验证。
形式验证的效果受到以下因素的影响：
设计规范是否存在错误 设计规范中的功能覆盖是否完整 用户可能发生的对规范的错误表述以及对设计的过度约束 形式验证软件程序本身的错误
验证方法比较:模拟vs形式化方法
速度 模拟验证 形式验证
DUT规模
完备性
准确性
复杂度
极限适用 性
· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · —
测试向量生成方法示意
• 0：Deterministic • 1：specific scenario • 2： specific scenario with some random values
0 1 2 3 4 5 6
• • • •
3：Tightly constrained random environment 4： random environment 5： Fully random-illegal sequences 6：Random
将激励信号施加于设计，进行计算并观察输出结果，判断该 结果是否与预期一致。根据仿真模式的不同，可分为：
• 时钟驱动模拟验证
基于时钟周期的仿真-------采用基于周期的仿真器，完全不理 会时钟内部发生的事件，而是在每个周期中进行一次信号评 估，由于执行时间较短，这类仿真器的运行速度往往较快， 目前常用的仿真器VCS、NC-verilog、ModelSim都支持此类仿 真
集成电路验证的基本方法分类
• 基于模拟的验证
基于时钟周期的模拟 基于事件的模拟 硬件加速仿真验证
基于FPGA的验证方法 基于并行服务器的硬件加速仿真
• 基于形式化方法的验证
从不同角度可对形式验证方法做不同分类，通常分为：
定理证明 模型检验 等价性检验
基于模拟的验证分类
随机验证计划是否达到了足够的仿真节拍
是否满足了结构覆盖率标准 是否满足了微体系结构覆盖率标准 时间错误曲线特性是否达到了目标 市场变化导致的设计进度安排的调整
掌握验证的基本流程和工作方法
验证的基本流程 模拟验证方法（模块级、系统级） 覆盖率检验方法 断言检测方法 形式验证技术
模拟验证的构成要件