嵌入式系统芯片的软硬件协同仿真环境设计

1 概述

       随着微电子产业日新月异的发展，IC设计的规模越来越大，集成度越来越高，已经足以将一套完整的系统集成到一块小小的芯片中。在这种形势下，SoC技术应运而生。随着IP核复用技术的出现，SoC芯片的设计已经不再是很大的难题，SoC芯片的验证已逐渐取代芯片设计成为芯片开发阶段的瓶颈。现阶段SoC芯片设计的正确性要经过前仿真、后仿真以及FPGA验证来保证。前仿真包括单元验证、集成验证和系统验证，后仿真包括带反标时序SDF的网表仿真，其中系统验证和后仿真都需要关注SoC芯片的全局功能，这就涉及SoC的软件仿真和硬件仿真的协同问题。本文以DSM模型替代ARM核，以VMM验证方法学和VCS仿真器为基础，搭建一个可重用性高、调试和定位问题方便、仿真真实性高、软件和硬件能够很好配合的协同验证平台。

       软硬件协同仿真架构如图1所示，协同验证分软件验证环境和硬件验证环境两部分。软件代码通常由C／C++和汇编语言混合编写而成，然后由软件编译器转换成二进制格式，最后将该二进制文件加载到SoC芯片的存储器中去，芯片boot启动时由ARM核调用软件代码并执行；硬件环境基于VMM验证方法学进行搭建，下文中会有详细介绍。协同仿真就是通过事件和命令，使用一些机制，在这两个环境间进行控制。

2 DSM模型的使用

       SoC芯片的CPU一般选用ARM，协同验证平台中ARM可以用seamless CVE模型替代，或者直接选用ARM网表。采用seamless CVE模型进行仿真，虽然速度比较快，但需要替换设计中的Memory模型，且必须使用CVE自己的模型，这样与芯片真实情况有出入；采用ARM网表进行仿真，速度比较慢，调试也不方便，但是更接近实际情况。相比于这两者，本文采用的DSM(Design Simulation Model)模型由ARM公司提供，能完全模拟ARM的接口和时序行为，具有更高的真实性，而且DSM无需更换存储器模型和外挂仿真工具，使验证DUT与实际芯片完全一致，即不必为了满足仿真需求修改部分RTL代码。此外，DSM环境仿真过程中输出的LOG文件log．eis真实记录每个周期执行的CPU代码和操作。根据该文件能快速定位软件问题。CVE环境通过调用XRAY软件调试工具，虽然可以进行单步调试、没置断点等操作，但出现软件问题时定位没有DSM环境那么直观、方便。 DSM是ARM公司提供的设计仿真模型，该模型直接从ARM公司的RTL代码经过加密处理转化而来，具有同真实RTL代码完全一致的功能和特性。在时序仿真过程中，还能直接对该模型反标时序。在仿真过程中，将模型WRAPPER——也就是模型的最顶层——例化到RTL代码中，仿真器在仿真过程中触发WRAPPER，请求Model Manager动态调用模型库进行仿真。Model Manager响应请求动态调用模型库文件，达到功能仿真的目的。由此可以看出，Model Manager在仿真过程中充当中介角色，将模型和仿真器动态连接在一起。DSM模型的工作原理如图2所示。

3 软件仿真

       ARM汇编器工具ARMASM、ARM的C／C++编译工具ARMCC和ARMCPP，以及ARM的链接工具ARMLINK，利用ARM工具对软件代码进行编译链接生成的文件格式为ELF格式(Executable Link File)，原始代码在文件中的位置通过SCATTER文件指定，ARM提供了fromelf工具，该工具将ELF格式的文件根据运行时域转化为二进制文件，以便在仿真起始阶段将代码放到指定的Memory中。

       在makefile中将ELF格式转化为BIN文件的具体实例如下： Fromelf-bin output．／softWare．elf，上述语句表示将software。elf文件转化为二进制文件放到当前目录。

       在软硬件协同仿真的初始阶段，需要将生成的二进制文件导入相应的存储器中，这通过Verilog提供的系统函数fread实现。下面是一个将二进制文件导入存储器的实例，先通过$fopen函数读出文件地址，然后通过$fread函数将指定地址的文件数据传给变量inst_fik_word，最后将变量inst_file_world中的值传给存储器中的相应地址单元。在DSM仿真中都需要一个这样的“桥梁”文件，将软件和逻辑链接起来。
   

        软硬件协同仿真的软件结构如图3所示，系统BOOT起来后直接跳转到main()函数进行单进程任务，如果出现中断异常，则boot代码中根据中断向量表地址跳转到中断处理函数。中断处理函数中包含对各中断的处理，main()函数中调用各个模块的TC(Test Case)函数，TC调用底层的驱动代码。驱动代码的编写则基于各个模块的寄存器定义文件和全局变量。该软件结构清晰可控，便于各测试用例TC的并行提交和管理。

4 构建基于VMM的软硬件协同仿真平台

       在软硬件协同仿真环境中，完全可以采用基于VMM的验证架构，但软硬件协同仿真环境较一般的纯逻辑集成验证环境难度大，主要体现在软硬件协同仿真环境冈为仿真过程中有软件代码在执行，同时验证环境也在执行，因此如何将软件代码和硬件环境协调起来是关键。在仿真过程中，软件和验证环境之间需要建立一种通信机制，如可以通过中断通信，也可以通过某一特殊信号线通信。软硬件协同仿真环境中，某一项功能点的测试常常需要软硬件两条测试用例TC，软件TC需要驱动代码，而一般的集成测试用例不需要软件TC和驱动。典型的VMM的验证架构如图4所示。