基于VMM驗證方法學的MCU驗證環境

1 簡介

隨著設計的復雜程度不斷增加，要求把更多的資源放到驗證上，不但要求驗證能夠覆蓋所有的功能，還希望能夠給出大量的異常情況來檢查DUT對應異常的處理狀態，這在傳統測試方法下往往是難以實現的。此外，設計不斷地重用，而驗證也希望能夠重用一樣的驗證模塊，這就催生了層次化的驗證方法。 Synopsys的 VMM驗證方法學提供了基于SystemVerilog的驗證方法，包括了有約束的隨機數生成，層次化的驗證結構，以及以功能覆蓋率為指標的驗證流程。在本文中，圍繞Synopsys的VMM(Verification Methodology Manual)構建了一個MCU驗證環境。

2 DUT

在這個環境中驗證了一個8位MCU，該CPU時鐘周期即為指令周期，兼容MCU指令集，包含8位的運算邏輯單元，包含了ACC、B、PSW等常用的寄存器，4組R0-R7的R寄存器，支持直接，間接尋址，支持位操作，跳轉指令可以為8位有符號相對地址跳轉或者11位，16位無符號絕對地址跳轉。

4個優先級12個中斷，中斷包括外部輸入中斷，以及串口和計數器等的內部中斷，15位可編程Watchdog，另外包含程序ROM接口，外部RAM接口，內部RAM以及SFR接口。MCU本身并不包含memory，所有的ROM以及RAM都是通過外部接口進行通信，這里在VMM環境里實現了行為級的 memory model，來保存程序代碼和數據。以下是MCU的簡要模塊框圖。

圖1 MCU內部結構

這個MCU也是在原有基礎上改進了指令周期，減少了大部分指令執行所需的指令周期。因為部分指令所需要的指令周期的縮短，很多原有采樣和賦值時間相應發生較大變化，在功能驗證的基礎上，需要關注是否因此對下一條指令產生影響，特別是中斷和部分指令同時發生時的一些特殊情況。

MCU的指令執行都會通過讀寫RAM memory來實現，另外所有的外設都會通過配置SFR memory來啟動相應功能，并會對相應的SFR置位來顯示外設的工作結果或是狀態，這里RAM memory和SFR memory內容就是需要關注的檢測點，只要保證RAM memory以及SFR memory內容的正確，就可以驗證MCU的所有功能正確。

3 基于VMM的MCU驗證結構

基于VMM的MCU驗證就需要充分利用VMM的特點，即為有約束的隨機數生成、自動數據對比檢查，和功能覆蓋率收集。

3.1 有約束的隨機指令生成

傳統的MCU驗證，需要寫匯編代碼，注入MCU程序ROM進行仿真，匯編代碼的質量和覆蓋率是影響驗證的主要因素。除了可以將應用程序作為 TestCase，只能根據驗證目標編寫對應的TestCase。這樣的TestCase屬于Direct TestCase，只能覆蓋一部分功能，尤其是MCU有指令組合的情況，以及除了ALU單元的外設單元，當外設單元與內部指令并行工作，Direct TestCase往往是不能滿足要求的。這里，VMM提供了有約束的隨機數生成，可以將MCU指令集進行分類，將同一格式的指令歸為一類，這樣可以通過一定的約束隨機的生成指令以及指令所需的參數，在下一節的指令類中會詳細講解關于指令的分類與生成。指令生成后，實現了一個匯編器，這個匯編器是由C代碼實現的，通過DPI將MCU的C模型接入驗證環境中，這樣生成的匯編指令可以實時轉化為16進制代碼，并且直接讀入MCU的ROM進行仿真。隨機指令生成，可以添加節省人力，并且給出更加特殊的TestCase，此外還可以對易錯的情況添加額外的約束，讓邊緣情況測試幾率更大，從而做到更多的驗證。

3.2 自動數據對比檢查

寫匯編代碼，讀入程序ROM，通過仿真來觀測結果，結果的正確性通過波形觀察，這種驗證方法測試數量比較有限，只能在人力控制范圍內進行驗證，不適合于遞歸以及大量TestCase的驗證。此外，在以往的MCU驗證中，一旦發生功能錯誤，真正的錯誤點有可能是多個指令之前，需要往前查找波形，往往 debug時候查找問題源會耗費大量時間，甚至有些深層次的問題因為不屬于驗證目標，或者不在觀測點內，往往會被忽略。在環境里，已經引入的隨機的指令生成，這就需要一個參照模型能夠生成對應的參照結果。這里實現一個用C語言描述的MCU參照模型，同樣通過DPI將MCU的C模型接入驗證環境中，這個模型以16進制代碼作為輸入，可以在每一條指令執行寫出一個參照結果。MCU的都是通過RAM保存數據，SFR寄存器來保存狀態，可以通過對比memory中的數據，來保證MCU的每一條指令的工作狀態都是和參考模型是一致的。而且每次添加TestCase后都不需要觀測波形或是生成參照結果，甚至可以直接將應用程序放入環境中加以測試。在環境里通過C參考模型寫出的每一條指令后的狀態會保存下來，由ScoreBoard來讀入，環境可以讀出MCU執行程序 ROM后RAM和SFR的值并傳遞給ScoreBoard，由ScoreBoard來進行自檢，并且在log中寫出自檢結果。

3.3 功能覆蓋率收集

在Direct TestCase下，匯編代碼都是特定目的的測試代碼，所關注的寄存器狀態，或是真實指令執行情況往往很難統計，代碼覆蓋率能提供的信息相當有限。在 VMM環境中，可以通過模型的執行結果來統計指令的執行情況，因為模型和RTL是功能一致的，內部數據每條指令之后都會對比自檢，可以將模型運行的結果和模型內部對應的SFR狀態位作為功能覆蓋率收集點，將關注的功能寫為覆蓋率模型，在仿真中自動收集，并在仿真所有TestCase后將覆蓋率結果合并在一起，給出一個最終的功能覆蓋率，這里要求功能覆蓋率和代碼覆蓋率都為100%。

4 驗證功能模塊的具體實現

4.1 簡介

以VMM為基礎，實現了一個驗證8位MCU的平臺，這個平臺可以隨機生成一系列的指令，并且在每個指令后進行自檢。下面就這個平臺的詳細實現加以介紹，4.2小節將會介紹隨機指令生成，以及Scenario約束的實現，4.3小節將會介紹Driver部分，這里Driver實現了 Transactor的任務，除了實現匯編，將16進制代碼讀入ROM模型中，還要調用MCU的C模型并產生結果供后續ScoreBoard對比。 4.4小節將會介紹MCU的C模型，C模型行為是直接影響MCU是否正確的保證。4.5小節將會介紹memory模型的實現，包括Internal SFR、Internal RAM、External SFR以及External RAM。4.6小節介紹過于ScoreBoard的自檢機制，以及自動終止仿真的方法。4.7小節將會介紹關于功能覆蓋率模型的建立。