如今，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)層面進(jìn)行，這是前所未有的。而讓這一切得以實(shí)現(xiàn)的，是硬件仿真技術(shù)。硬件仿真允許將寄存器傳輸級(jí)（RTL）源代碼作為模型，但同時(shí)又能提供足夠的處理能力支持系統(tǒng)級(jí)工作，特別是涉及到軟件開(kāi)發(fā)或運(yùn)行軟件工作負(fù)荷的情況。

因此，硬件仿真已取代了興盛30余年的RTL模擬器，成為萬(wàn)眾矚目的焦點(diǎn)。需要注意的是，我并非在此提倡大家摒棄RTL模擬器。在早期設(shè)計(jì)階段的硬件驗(yàn)證過(guò)程，RTL模擬器當(dāng)然是首選，而且是無(wú)與倫比的。它能快速編譯一個(gè)設(shè)計(jì)頁(yè)面，還具有某種程度的互動(dòng)“假設(shè)”分析，在設(shè)計(jì)尺寸有限的情況下，其他任何工具都望塵莫及。

對(duì)于知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）模塊來(lái)說(shuō)，的確如此。然而對(duì)于系統(tǒng)集成和系統(tǒng)驗(yàn)證測(cè)試而言，在需要對(duì)軟硬件同時(shí)進(jìn)行測(cè)試的情況下，軟件仿真則太過(guò)緩慢，而且不切實(shí)際。需要一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)嗎？我們假設(shè)，一個(gè)1億等效門(mén)的ASIC以100 MHz的頻率運(yùn)行，一個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)嘗試仿真它一秒鐘的真實(shí)數(shù)據(jù)。我們不妨大方地假設(shè)仿真器以100Hz的頻率運(yùn)行，那么將耗時(shí)100萬(wàn)秒--即277小時(shí)，或11天。相比之下，一個(gè)以1MHz的頻率運(yùn)行的硬件仿真器則只需要100秒。我的假設(shè)到此為止。

但是這種解決方案成本不菲，因此仿真數(shù)據(jù)中心便應(yīng)運(yùn)而生且廣受驗(yàn)證工程師的青睞。為創(chuàng)建可服務(wù)于世界各地的諸多驗(yàn)證工程師及軟件開(kāi)發(fā)人員的仿真設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心，需要滿足以下三個(gè)條件。系統(tǒng)必須支持：

● 非常強(qiáng)大的設(shè)計(jì)容量和多個(gè)并發(fā)用戶

● 遠(yuǎn)程訪問(wèn)

● 資源管理

我們來(lái)逐一進(jìn)行詳細(xì)討論。

滿足設(shè)計(jì)容量與多用戶的需求

設(shè)計(jì)尺寸將分布曲線往上推至幾億ASIC等效門(mén)。極端情況下，有些設(shè)計(jì)已經(jīng)超過(guò)10億門(mén)。通常情況下，IP組塊達(dá)到數(shù)以千萬(wàn)計(jì)門(mén)。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在擴(kuò)招軟件開(kāi)發(fā)人員，其數(shù)量大大超過(guò)硬件設(shè)計(jì)師的人數(shù)。在擁有如此多樣化的設(shè)計(jì)社區(qū)的公司，需要一個(gè)容量為數(shù)百億門(mén)、7*24小時(shí)不間斷運(yùn)行的硬件仿真平臺(tái)。

目前，最大的硬件仿真平臺(tái)可提供的容量上限為數(shù)十億門(mén)，足以創(chuàng)建有史以來(lái)最大的設(shè)計(jì)，卻仍然無(wú)法滿足一家大公司的需求。處理嵌入式軟件需要依次運(yùn)行數(shù)十億周期。倘若速度為1MHz,則運(yùn)行10億周期需要1,000秒的時(shí)間。若單個(gè)設(shè)計(jì)需消耗所有的仿真資源，那么該設(shè)計(jì)任務(wù)將在運(yùn)行期間獨(dú)占整個(gè)硬件仿真器，其他所有用戶在此期間將無(wú)法使用。這種情況可能需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間。

這一問(wèn)題可通過(guò)兩種方法得到解決。第一種方法是，硬件仿真平臺(tái)的架構(gòu)需支持多個(gè)并發(fā)用戶共享仿真資源，但要注意的是，任何進(jìn)程都無(wú)法獨(dú)占整個(gè)平臺(tái)容量。第二種方法即建立一個(gè)由數(shù)個(gè)硬件仿真平臺(tái)構(gòu)成的仿真工廠。這種方法將得到仿真器供應(yīng)商的青睞。

例如，Mentor Graphics的Veloce2可在其雙Maximus平臺(tái)中支持大約20億門(mén)設(shè)計(jì)，可供多達(dá)128個(gè)用戶同時(shí)使用。具體的用戶數(shù)還和設(shè)計(jì)大小有關(guān)，Veloce2 Maximus可支持以上任意組合（圖表1）。

圖1.通常情況下，多個(gè)并發(fā)用戶有不同的設(shè)計(jì)容量需求。

Veloce2的硬件架構(gòu)已從頭開(kāi)始重新設(shè)計(jì)，以避免將多個(gè)單獨(dú)的機(jī)箱拼湊在一起。與計(jì)算機(jī)服務(wù)器類(lèi)似，它包含多個(gè)機(jī)架，配備了邏輯板、電源和連接背板。還包括高級(jí)驗(yàn)證板（AVBs）、電源架、以及采用活動(dòng)開(kāi)關(guān)連接各AVBs的矩陣板?？偠灾?，該系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的。一個(gè)雙Maximus平臺(tái)即可滿足任何公司的容量需求，無(wú)論是大的單個(gè)設(shè)計(jì)還是需要多種設(shè)計(jì)尺寸的批量用戶。

遠(yuǎn)程訪問(wèn)

遠(yuǎn)程訪問(wèn)帶來(lái)了一種主導(dǎo)驗(yàn)證領(lǐng)域30余年且廣受歡迎的仿真資源配置模式的終結(jié)。在線仿真器（ICE）模式下，硬件仿真器內(nèi)映射的待測(cè)設(shè)計(jì)（DUT）連接到實(shí)際芯片待命的目標(biāo)系統(tǒng)。

目標(biāo)系統(tǒng)可能包括大量的物理設(shè)備。不幸的是，由于快速目標(biāo)系統(tǒng)與實(shí)際設(shè)備在處理速度上的巨大差距，且硬件模擬器內(nèi)的相對(duì)緩慢的設(shè)計(jì)可能僅為兩個(gè)或三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此直接連接是不可能的。

基本上都需要采用一個(gè)速度適配器進(jìn)行連接，以讓高時(shí)鐘頻率的芯片適應(yīng)低時(shí)鐘頻率的硬件仿真器。速度適配器的選擇應(yīng)基于不同的設(shè)計(jì)及目標(biāo)系統(tǒng)的接口類(lèi)型，如PCI Express、USB和以太網(wǎng)。ICE對(duì)于實(shí)際通信流量情景測(cè)試來(lái)說(shuō)是非常好的，例如檢驗(yàn)設(shè)計(jì)中帶有的SATA磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器是否能有效工作。

另外，在涉及物理目標(biāo)的ICE模式下，保存和還原也極具挑戰(zhàn)性。假設(shè)用戶有一個(gè)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器連接到映射在硬件仿真器內(nèi)的DUT上，并試圖保存DUT狀態(tài)。由于磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，且其狀態(tài)無(wú)法保存，因而用戶無(wú)法使用硬件仿真器的內(nèi)置功能執(zhí)行該任務(wù)。

遠(yuǎn)程訪問(wèn)使硬件仿真器成為一種共享資源，可供一個(gè)極其廣闊的地域范圍內(nèi)諸多用戶及團(tuán)體使用，其中不少用戶甚至可能位于地球的另一端，與我們有十幾個(gè)時(shí)區(qū)之隔。為了完成這一任務(wù)，ICE模式需要一組技術(shù)人員7*24小時(shí)持續(xù)不斷地為每個(gè)用戶及每個(gè)設(shè)計(jì)插拔速度適配器，這完全不現(xiàn)實(shí)。

假如ICE無(wú)法實(shí)現(xiàn)，那么是否有其他方法支持遠(yuǎn)程訪問(wèn)呢？答案是肯定的。這種方法時(shí)常被稱(chēng)為“無(wú)目標(biāo)仿真”,它采用軟件測(cè)試環(huán)境來(lái)替代物理測(cè)試臺(tái)。最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)情況下，.它可能基于可綜合的測(cè)試平臺(tái)，消除了和外部世界的關(guān)聯(lián)從而達(dá)到全速仿真。

然而，可綜合測(cè)試平臺(tái)會(huì)限制設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造力與靈活性。另一方面，非可綜合性測(cè)試平臺(tái)，特別是采用硬件驗(yàn)證語(yǔ)言（HVL）編寫(xiě)的測(cè)試平臺(tái)需要采用軟件仿真器執(zhí)行，而且還需要一個(gè)編程接口語(yǔ)言（PLI）接口和運(yùn)行DUT的硬件仿真器連接。這些因素都會(huì)對(duì)平臺(tái)性能造成影響，

但我們?nèi)阅茉O(shè)法解決此問(wèn)題。

20世紀(jì)90年代末期，IKOS（于2002年被Mentor Graphic收購(gòu)）首創(chuàng)了把測(cè)試平臺(tái)中驅(qū)動(dòng)DUT的比特信號(hào)級(jí)接口，移至可重復(fù)利用的獨(dú)立單元。任何接口都是一個(gè)可綜合的基于協(xié)議的狀態(tài)機(jī)或總線功能模型。

這種方法有兩個(gè)重大的益處。首先，可在更高層次的抽象界面使用數(shù)行代碼編寫(xiě)測(cè)試程序。這樣編寫(xiě)起來(lái)更容易，執(zhí)行起來(lái)速度也更快，映射到硬件仿真器內(nèi)的總線功能模塊的速度也會(huì)顯著提高。IKOS將該總線功能模塊稱(chēng)作執(zhí)行器（transactors），將新的仿真模式稱(chēng)為協(xié)同建模（co-modeling）。

用于測(cè)試平臺(tái)加速的TBX是一種基于交易的驗(yàn)證模式，是一種新興的行業(yè)趨勢(shì)。用戶在不同的設(shè)計(jì)間切換時(shí)，或新用戶登錄時(shí)，都無(wú)需專(zhuān)人監(jiān)督插拔速度適配器。這種模式為遠(yuǎn)程訪問(wèn)奠定了基礎(chǔ)。

三家仿真器供應(yīng)商--Cadence Design Systems、Mentor Graphics、Synopsys--均支持通過(guò)基于交易的方法進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。某個(gè)供應(yīng)商創(chuàng)造了一種虛擬驗(yàn)證環(huán)境，相當(dāng)于一個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，即類(lèi)似于物理實(shí)驗(yàn)室，但采用虛擬設(shè)備建造而成。該虛擬實(shí)驗(yàn)室合并采用了三種技術(shù)：硬件仿真、基于交易的驗(yàn)證、ICE目標(biāo)。

一套虛擬設(shè)備包括一個(gè)在主工作站上運(yùn)行的軟件堆棧，主工作站采用交易執(zhí)行器接口與硬件仿真器上運(yùn)行的協(xié)議IP進(jìn)行通信。這種捆綁帶來(lái)了一種協(xié)議解決方案，用戶可在設(shè)備驅(qū)動(dòng)器層面驗(yàn)證IP并采用實(shí)際軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)器自身來(lái)驗(yàn)證DUT.（圖表2）。

圖2.USB3.0大容量存儲(chǔ)可在仿真環(huán)境中作為虛擬外圍設(shè)備建模。

虛擬實(shí)驗(yàn)室與ICE目標(biāo)解決方案功能相當(dāng)，但去除了電纜和硬件適配器，因?yàn)樘摂M設(shè)備采用現(xiàn)有的驗(yàn)證軟件IP與硬件仿真器上的特定協(xié)議RTL設(shè)計(jì)IP和DUT進(jìn)行通信。相比于硬件ICE目標(biāo)，虛擬設(shè)備具備以下優(yōu)勢(shì)：

● 便于遠(yuǎn)程使用。因?yàn)橹灰惭b了協(xié)同模塊主機(jī)，無(wú)需將額外的硬件連接到硬件仿真器便可安裝虛擬設(shè)備。

● 靈活性更高。單個(gè)硬件加速器資源可供多個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)分享，因?yàn)橛布抡嫫魃线\(yùn)行的DUT無(wú)需電纜連接，且分區(qū)限制較少。

● 無(wú)需對(duì)專(zhuān)門(mén)的硬件進(jìn)行特定訪問(wèn)，便可定義功能控制器上運(yùn)行的目標(biāo)協(xié)議軟件棧的可見(jiàn)性。

● 目標(biāo)協(xié)議函數(shù)控制器核的可見(jiàn)性/可追溯性可通過(guò)對(duì)提交的RTL源代碼的簡(jiǎn)單IP保護(hù)進(jìn)行定義，且監(jiān)視器和檢查器運(yùn)行時(shí)，方便訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)總線。

虛擬環(huán)境允許用戶通過(guò)虛擬調(diào)試接口（JTAG）探針對(duì)嵌入式軟件進(jìn)行調(diào)試，而無(wú)需采用實(shí)體JTAG探針。探針采用JTAG協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)在于，通常不會(huì)受到硬件仿真器慢速時(shí)鐘頻率的影響。當(dāng)將物理設(shè)備連接到硬件仿真器中運(yùn)行的虛擬設(shè)計(jì)時(shí)，需要減少時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)頻率以匹配硬件仿真器中設(shè)計(jì)的速度。采用了虛擬JTAG,硬件仿真器便能隨時(shí)停止，時(shí)鐘頻率變化時(shí)也無(wú)需擔(dān)心干擾與軟件調(diào)試器的連接。

但缺點(diǎn)是，JTAG連接會(huì)對(duì)被調(diào)試的設(shè)計(jì)的狀態(tài)產(chǎn)生影響。JTAG探針技術(shù)的替代選擇是使用基于跟蹤的系統(tǒng)來(lái)啟用硬件仿真器上運(yùn)行的程序調(diào)試?；镜奶幚砥鞲櫰骺商峁┨幚砥髦邪l(fā)生所有事件的列表。

一家供應(yīng)商提供了一種離線軟件調(diào)試工具用于仿真。這種離線軟件調(diào)試工具基于跟蹤器，包括對(duì)處理器狀態(tài)的傳統(tǒng)調(diào)試器視圖，并執(zhí)行所有的符號(hào)表和處理器狀態(tài)解碼。由于采用了跟蹤技術(shù)，它不會(huì)對(duì)正在運(yùn)行的系統(tǒng)操作產(chǎn)生影響或干擾。仿真過(guò)程完成后，可以脫離回放數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行，且運(yùn)行速度可達(dá)100 MIPS.

復(fù)雜的資源管理

越來(lái)越多開(kāi)發(fā)嵌入式系統(tǒng)的公司擁有較大的硬件設(shè)計(jì)師和嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員團(tuán)隊(duì)，他們通常分布于世界各地，或位于不同的洲。要服務(wù)于這樣的企業(yè)，硬件仿真器平臺(tái)需要充足的設(shè)計(jì)能力和遠(yuǎn)程控制，但僅滿足這兩個(gè)要求仍然不夠。還有一個(gè)極其微妙的需求，即先進(jìn)的資源管理。

任何現(xiàn)代仿真系統(tǒng)都由主板構(gòu)成，主板又由機(jī)箱中的背板互相連接而成。多個(gè)機(jī)箱連接在一起，設(shè)計(jì)能力便得以擴(kuò)大，可超過(guò)十億門(mén)。為吸引開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，須對(duì)這些資源進(jìn)行自動(dòng)化管理。

從開(kāi)發(fā)周期的早期到最終的系統(tǒng)集成及交付階段，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要不分晝夜地處理大量仿真工作。包括IP、子系統(tǒng)以及整個(gè)系統(tǒng)層面的硬件驗(yàn)證任務(wù)，以及任何形式的嵌入式軟件驗(yàn)證工作，從軟件驗(yàn)證例程到驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和診斷。有些步驟需要有限的容量，而其他步驟則需要全部的設(shè)計(jì)能力。而且，這僅僅是針對(duì)單個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目而言。通常情況下，大公司長(zhǎng)期都同時(shí)進(jìn)行幾十個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，盡管只有少數(shù)幾個(gè)項(xiàng)目能最終投產(chǎn)。因此情況更為復(fù)雜。

我們?cè)俅我訫entor Graphics的Veloce2為例。其完全擴(kuò)展的雙Maximus配置包含8個(gè)Quattro機(jī)箱，每個(gè)機(jī)箱中又包含16個(gè)主板。這樣一個(gè)平臺(tái)可以支持多達(dá)128個(gè)并發(fā)用戶。工作過(guò)程中可能隨時(shí)需要對(duì)各種資源（AVBs）進(jìn)行實(shí)時(shí)重新分配。倘若要手工執(zhí)行這些任務(wù)，那必將是一個(gè)噩夢(mèng)（圖表3）。

圖3.Mentor Graphics的Veloce2 Maximus平臺(tái)可支持多達(dá)128個(gè)并發(fā)用戶。

此外，為提高效率，資源管理器必須采用作業(yè)調(diào)度優(yōu)先級(jí)機(jī)制，因?yàn)橛行┕ぷ骺赡芫哂懈叩膬?yōu)先級(jí)。Platform Computing用于作業(yè)調(diào)度的載荷分享設(shè)施（LSF）或許能對(duì)工作優(yōu)先級(jí)進(jìn)行安排調(diào)度，但功能仍然有待完善。

而且工作優(yōu)先級(jí)可能會(huì)隨時(shí)發(fā)生變化，這讓情況變得更為復(fù)雜。當(dāng)有更高優(yōu)先級(jí)的工作要求馬上執(zhí)行時(shí)，必須有支持“暫停/恢復(fù)”功能的設(shè)計(jì)，以便隨時(shí)停止當(dāng)前的進(jìn)程（圖表4）。

圖4.“暫停/恢復(fù)”功能可對(duì)工作進(jìn)行列隊(duì)和優(yōu)先級(jí)處理。

相比于十年前，硬件仿真器的可靠性已大大提高，但仍然無(wú)法稱(chēng)之為完美。因?yàn)橛布?jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，避免硬件仿真器發(fā)生任何停機(jī)的情況，是至關(guān)重要的，否則會(huì)影響最終的交付時(shí)間。資源管理器必須在不強(qiáng)迫主板上運(yùn)行的設(shè)計(jì)重新編譯的情況下，對(duì)故障主板進(jìn)行隔離。同樣重要的是，還要追蹤硬件仿真器的使用情況，包括日常維護(hù)調(diào)度、運(yùn)行診斷和提交報(bào)告結(jié)果。

　　結(jié)論

基于仿真的現(xiàn)代驗(yàn)證方法需具備供數(shù)十名軟硬件工程師同時(shí)使用的遠(yuǎn)程服務(wù)器工廠，以驗(yàn)證日益復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

為提高效率，硬件仿真服務(wù)器須采用無(wú)需大量使用電纜便能進(jìn)行容量擴(kuò)張的模塊方法從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)?？傮w容量必須足以支持包含數(shù)十億門(mén)和數(shù)十個(gè)并發(fā)用戶透明管理的最大設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

同時(shí)提交多個(gè)仿真工作時(shí)，應(yīng)使用排隊(duì)程序，在不干擾服務(wù)器的情況下按照工作優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行處理。用戶應(yīng)避免工作的細(xì)節(jié)處理和由硬件依賴(lài)性導(dǎo)致的編譯設(shè)計(jì)調(diào)整。

仿真供應(yīng)商的當(dāng)務(wù)之急是通過(guò)故障保護(hù)機(jī)制來(lái)提高硬件仿真的可靠性。理論上說(shuō)，仿真服務(wù)器還應(yīng)該節(jié)能環(huán)保，并可進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。