基于覆蓋率驅(qū)動(dòng)的高頻RFID芯片驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　隨著芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜度的不斷提升，驗(yàn)證工作占據(jù)了越來(lái)越多的開發(fā)時(shí)間。為了能夠盡快將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，有效的驗(yàn)證方法就顯得越來(lái)越重要。所謂有效的驗(yàn)證方法，即能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，利用精確的測(cè)試激勵(lì)，盡可能驗(yàn)證芯片的正確性和發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中深層次的設(shè)計(jì)缺陷。所以如何產(chǎn)生精確高效的測(cè)試激勵(lì)就成為了驗(yàn)證工作當(dāng)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)[1]。

　　1 覆蓋率驅(qū)動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生算法的驗(yàn)證技術(shù)

　　根據(jù)測(cè)試激勵(lì)產(chǎn)生的方法，可以將測(cè)試激勵(lì)分為定向測(cè)試激勵(lì)和隨機(jī)測(cè)試激勵(lì)。定向測(cè)試激勵(lì)是驗(yàn)證工程師針對(duì)被測(cè)設(shè)計(jì)(Design Under Test，DUT)期望驗(yàn)證的功能點(diǎn)進(jìn)行人工編寫的激勵(lì)，這種方法直接、準(zhǔn)確，但是對(duì)于較大規(guī)模的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，工程師很難發(fā)現(xiàn)所有的邊界條件。而隨機(jī)測(cè)試激勵(lì)可以容易地產(chǎn)生大量的測(cè)試激勵(lì)，且可以擊中一些工程師很難發(fā)現(xiàn)的邊界條件，但是隨機(jī)測(cè)試激勵(lì)容易產(chǎn)生測(cè)試激勵(lì)冗余，這造成了大量的驗(yàn)證資源浪費(fèi)[2]。隨著驗(yàn)證技術(shù)的發(fā)展，受約束的隨機(jī)激勵(lì)越來(lái)越受驗(yàn)證工程師親睞。目前，各大EDA公司的仿真器基本均支持約束求解器。驗(yàn)證工程師根據(jù)需求編寫約束，約束求解器將會(huì)對(duì)驗(yàn)證工程師所做的約束進(jìn)行求解，然后產(chǎn)生滿足約束的隨機(jī)激勵(lì)。

　　本文使用VMM(Verification Methodology Manual)驗(yàn)證方法學(xué)，設(shè)計(jì)了一個(gè)含激勵(lì)產(chǎn)生算法的驗(yàn)證平臺(tái)。該激勵(lì)產(chǎn)生算法以覆蓋率為導(dǎo)向，在驗(yàn)證過(guò)程中，通過(guò)對(duì)覆蓋率的分析，發(fā)現(xiàn)未驗(yàn)證的邊界條件，及時(shí)調(diào)整激勵(lì)的產(chǎn)生，以獲得更為滿意的覆蓋率。

　　2 DUT說(shuō)明

　　該驗(yàn)證平臺(tái)的DUT為一款滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC-15693協(xié)議的高頻RFID芯片，該芯片包含模擬電路、存儲(chǔ)器、數(shù)字電路3個(gè)部分。其中，模擬電路負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的解調(diào)、調(diào)制以及提供芯片工作的時(shí)鐘和電源。存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)存儲(chǔ)芯片信息。數(shù)字電路負(fù)責(zé)芯片的編解碼、邏輯控制以及與存儲(chǔ)器交互數(shù)據(jù)。該驗(yàn)證平臺(tái)將主要對(duì)數(shù)字電路部分的功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

　　支持ISO/IEC-15693協(xié)議的閱讀器(Vicinity Coupling Device，VCD)和標(biāo)簽芯片(Vicinity Card，VICC)的通信采用命令幀交互。表1為VCD到VICC的請(qǐng)求命令幀格式，幀格式包括幀頭SOF(Start of Frame)，請(qǐng)求標(biāo)志(Flag)，命令碼(Command)，若干參數(shù)(Parameter)與數(shù)據(jù)(Data)，CRC(Cyclic Redundancy Check)校驗(yàn)，最后是幀尾EOF(End of Frame)。根據(jù)每條命令的不同，幀格式中的參數(shù)和數(shù)據(jù)也不同。VICC到VCD的響應(yīng)幀格式比請(qǐng)求幀格式中少了命令碼，其余部分格式相同[3]。

　　3 驗(yàn)證平臺(tái)

　　針對(duì)DUT，采用VMM驗(yàn)證方法學(xué)的層次化思想[4]，設(shè)計(jì)出該驗(yàn)證平臺(tái)的整體架構(gòu)。同時(shí)，在該驗(yàn)證平臺(tái)中使用了本文所提出的以覆蓋率驅(qū)動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生算法的驗(yàn)證技術(shù)，并將驗(yàn)證平臺(tái)應(yīng)用于一款高頻RFID芯片驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證結(jié)果，檢驗(yàn)該驗(yàn)證技術(shù)的可行性和優(yōu)越性。本文著重介紹該驗(yàn)證平臺(tái)的激勵(lì)產(chǎn)生算法和覆蓋率分析方法。

　　3.1 激勵(lì)產(chǎn)生算法

　　對(duì)于測(cè)試激勵(lì)的產(chǎn)生，該驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套激勵(lì)產(chǎn)生算法。該算法依據(jù)覆蓋率統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)激勵(lì)的產(chǎn)生做出決策，即通過(guò)對(duì)覆蓋率報(bào)告分析，算法決策出下一步該如何產(chǎn)生測(cè)試激勵(lì)。該算法中含有一個(gè)序列個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器，用來(lái)計(jì)數(shù)一輪測(cè)試中激勵(lì)的序列個(gè)數(shù)。對(duì)于單命令測(cè)試，序列個(gè)數(shù)初始值為1，當(dāng)進(jìn)行多命令場(chǎng)景測(cè)試時(shí)，就需要一連串的測(cè)試激勵(lì)產(chǎn)生，這時(shí)候序列個(gè)數(shù)初始值將會(huì)大于1。

　　算法的流程圖如圖1所示。驗(yàn)證平臺(tái)啟動(dòng)復(fù)位后，激勵(lì)產(chǎn)生器通過(guò)編寫的隨機(jī)激勵(lì)約束，產(chǎn)生測(cè)試激勵(lì)，隨后檢查產(chǎn)生的測(cè)試激勵(lì)是否為期望的有效測(cè)試激勵(lì)，如果不是，則重新產(chǎn)生，否則將測(cè)試激勵(lì)送給事務(wù)處理器，由事務(wù)處理器將測(cè)試激勵(lì)建模為事務(wù)級(jí)的命令幀，隨后序列個(gè)數(shù)減去1。當(dāng)序列個(gè)數(shù)不小于1時(shí)，說(shuō)明為場(chǎng)景測(cè)試，還需要繼續(xù)產(chǎn)生激勵(lì)，于是激勵(lì)產(chǎn)生器將會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生測(cè)試激勵(lì)，并送給事務(wù)處理器建模。否則檢驗(yàn)器將會(huì)做響應(yīng)檢查，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，驗(yàn)證平臺(tái)將會(huì)記錄激勵(lì)，并Dump出波形，產(chǎn)生Bug日志文件，待設(shè)計(jì)人員修復(fù)Bug后重新驗(yàn)證。如果檢驗(yàn)器檢驗(yàn)正確無(wú)誤，驗(yàn)證平臺(tái)將會(huì)自動(dòng)收集驗(yàn)證結(jié)果，形成驗(yàn)證日志文件，并收集覆蓋率，產(chǎn)生覆蓋率報(bào)告。驗(yàn)證人員分析覆蓋率，如果覆蓋率沒(méi)有滿足要求，則根據(jù)報(bào)告中未覆蓋的邊界條件，修改激勵(lì)約束，以增加測(cè)試用例，并繼續(xù)驗(yàn)證，直到得到滿意的覆蓋率，驗(yàn)證結(jié)束。

　　3.2 覆蓋率分析

　　由于本驗(yàn)證平臺(tái)采用完全黑盒的驗(yàn)證方法，只能對(duì)DUT系統(tǒng)的頂層信號(hào)，即芯片唯一的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，所以此處引入斷言覆蓋率分析的意義不大。因此該驗(yàn)證平臺(tái)著重對(duì)功能覆蓋率和代碼覆蓋率進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)二者的分析，可以有效地檢驗(yàn)測(cè)試激勵(lì)是否完備，以及功能設(shè)計(jì)是否完善，以此來(lái)判斷是否需要增加新的測(cè)試激勵(lì)，以及如何產(chǎn)生新的激勵(lì)。

　　3.2.1 功能覆蓋率分析

　　功能覆蓋率是驗(yàn)證工程師從設(shè)計(jì)意圖的角度來(lái)衡量驗(yàn)證的完備性，所以也被稱為規(guī)范覆蓋率，它可以檢測(cè)到設(shè)計(jì)中存在的缺陷[5]。因而在收集功能覆蓋率時(shí)，通過(guò)對(duì)驗(yàn)證的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行分析，羅列功能點(diǎn)，編寫功能覆蓋組以及功能覆蓋點(diǎn)，如命令幀中的Flag、Command、Parameter等都需要編寫覆蓋組。此處以Command為例，在該DUT中，除了測(cè)試命令外，共有25條有效命令，所以該驗(yàn)證平臺(tái)為這25條命令分別設(shè)置了25個(gè)倉(cāng)(bins)，所有測(cè)試命令歸為一個(gè)倉(cāng)，其余所有的非法命令歸為一個(gè)倉(cāng)，這樣就總共就為Command建立了27個(gè)倉(cāng)。功能覆蓋代碼編寫如下[4]：

　　covergroup covport;

　　coverpoint dri.Command{

　　bins Inventory={8’h01};

　　bins Stay_quiet={8’h02};

　　bins Rd_sgl_blk={8’h20};

　　bins Wt_sgl_blk={8’h21};

　　bins Lock_blk={8’h22};

　　……

　　bins Error_cmd=default;

　　}

　　endgroup

　　在驗(yàn)證收集覆蓋率后，可以在覆蓋率報(bào)告中查看倉(cāng)分組情況和倉(cāng)命中情況，如圖2所示。當(dāng)Command的每個(gè)倉(cāng)都被命中時(shí)，就說(shuō)明對(duì)于Command的覆蓋達(dá)到了100%，該測(cè)試點(diǎn)得到了完善的測(cè)試。如果有未被覆蓋的倉(cāng)，則通過(guò)修改約束，增加測(cè)試用例，最終使得功能覆蓋率達(dá)到100%。

　　其余的功能點(diǎn)也通過(guò)同樣的方式進(jìn)行覆蓋分析，不斷完善，最終得到了如圖3所示的功能覆蓋率報(bào)告，從圖中可以看出，總功能覆蓋率達(dá)到了100%，符合預(yù)期效果。這說(shuō)明設(shè)計(jì)期望的功能點(diǎn)均被驗(yàn)證覆蓋到，且功能設(shè)計(jì)正確。

　　3.2.2 代碼覆蓋率分析

　　代碼覆蓋率是驗(yàn)證工程師從設(shè)計(jì)代碼的角度來(lái)衡量設(shè)計(jì)被驗(yàn)證的充分性。代碼覆蓋率的收集不需要特殊的程序編寫，只需要對(duì)仿真器參數(shù)做必要的設(shè)置即可。通過(guò)對(duì)代碼覆蓋率的分析，可以有效地判斷設(shè)計(jì)中還有哪些沒(méi)有被驗(yàn)證到，以此來(lái)增加測(cè)試激勵(lì)，充分驗(yàn)證設(shè)計(jì)。圖4為代碼覆蓋率報(bào)告，從報(bào)告中可以清楚地看到各種覆蓋率以及總代碼覆蓋率的覆蓋情況。

　　覆蓋率報(bào)告中塊(block)覆蓋率包含了語(yǔ)句(statement)覆蓋率和分支(branch)覆蓋率。其中語(yǔ)句覆蓋率指的是設(shè)計(jì)代碼語(yǔ)句被執(zhí)行過(guò)占總代碼語(yǔ)句數(shù)的比例。分支覆蓋率體現(xiàn)的是if、case等布爾表達(dá)式是否在真和假的情況下各執(zhí)行一次。所以當(dāng)塊覆蓋率為100%時(shí)，說(shuō)明所有的設(shè)計(jì)代碼都被執(zhí)行過(guò)了。如果沒(méi)有達(dá)到100%，則可以通過(guò)覆蓋率報(bào)告，查看哪些代碼語(yǔ)句或者哪些分支情況沒(méi)有被執(zhí)行過(guò)，以此來(lái)完善測(cè)試激勵(lì)，驗(yàn)證邊界條件。上圖報(bào)告中塊覆蓋率為98%，接近100%。

　　表達(dá)式(expression)覆蓋率用來(lái)檢查布爾表達(dá)式驗(yàn)證的充分性。如if(chk_lock_en || easardmode_en)判斷條件中，兩個(gè)變量為真和假均被執(zhí)行過(guò)，這樣它的覆蓋率就為100%。在報(bào)告中，可以看到表達(dá)式覆蓋率較其他幾項(xiàng)偏低，因?yàn)橛性S多情況在芯片的工作當(dāng)中根本無(wú)法遇到，所以表達(dá)式覆蓋率很難進(jìn)一步提高，但是對(duì)于芯片設(shè)計(jì)的功能來(lái)說(shuō)，已經(jīng)完全得到驗(yàn)證。

　　翻轉(zhuǎn)(toggle)覆蓋率指的是設(shè)計(jì)中的寄存器0和1的跳變情況，只有雙向均做了跳變，覆蓋率才達(dá)到100%。從報(bào)告中可以看出，翻轉(zhuǎn)覆蓋率也達(dá)到了較高的水平。

　　狀態(tài)機(jī)(fsm)覆蓋率用于統(tǒng)計(jì)在驗(yàn)證過(guò)程中狀態(tài)機(jī)發(fā)生了哪些跳轉(zhuǎn)，這種分析可以防止某些狀態(tài)在整個(gè)驗(yàn)證過(guò)程中從未發(fā)生跳轉(zhuǎn)，從而造成設(shè)計(jì)隱患。從報(bào)告中可以看出，狀態(tài)機(jī)覆蓋率為100%，狀態(tài)機(jī)得到了充分驗(yàn)證。

　　在實(shí)際驗(yàn)證過(guò)程中，通過(guò)以上分析方法，不斷調(diào)整激勵(lì)約束，直到最終代碼覆蓋率達(dá)到了96%，滿足預(yù)期效果。

　　3.3 驗(yàn)證平臺(tái)最終驗(yàn)證結(jié)果

　　依據(jù)激勵(lì)產(chǎn)生算法，通過(guò)對(duì)功能覆蓋率和代碼覆蓋率的結(jié)合分析，不斷修改激勵(lì)產(chǎn)生約束，最終在較短的時(shí)間內(nèi)，獲得了滿意的功能覆蓋率和代碼覆蓋率。現(xiàn)該驗(yàn)證平臺(tái)所驗(yàn)證的芯片已經(jīng)成功流片，在對(duì)流片后的芯片測(cè)試中，芯片的各項(xiàng)功能正確，且性能優(yōu)異，完全能夠滿足市場(chǎng)應(yīng)用的要求。

　　4 結(jié)論

　　通過(guò)采用VMM驗(yàn)證方法學(xué)，以覆蓋率驅(qū)動(dòng)激勵(lì)產(chǎn)生算法的驗(yàn)證平臺(tái)與傳統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)相比，具備更高的層次化。同時(shí)，本文所提出的驗(yàn)證技術(shù)為準(zhǔn)確判定驗(yàn)證的完備性提供了一個(gè)有效的衡量標(biāo)準(zhǔn)。所以，驗(yàn)證平臺(tái)采用的驗(yàn)證技術(shù)可以大幅度提高驗(yàn)證工作的效率和質(zhì)量，為芯片的一次流片成功率提供了有力的保障。同時(shí)該驗(yàn)證技術(shù)也可以為其它工程項(xiàng)目的驗(yàn)證提供很好的借鑒意義。

　　參考文獻(xiàn)

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