0 引言

　　隨著片上系統(System on Chip，SoC)設計復雜度的增加，驗證過程也變得更加復雜。傳統的軟硬件設計方法是在軟硬件劃分之后，軟件和硬件同步進行設計，直到硬件(指芯片或開發板)完成后才可以與軟件集成測試；如果此時發現軟件或者硬件設計中存在缺陷需要重新修改設計時，勢必增加設計周期，影響產品的上市時間。所以，當前迫切需要一種在硬件流片之前，便可以對SoC設計進行軟硬件協同驗證的方法。混合原型驗證便是很好的解決方案。

　　混合原型驗證是虛擬原型與硬件原型相結合的一種驗證技術，通常情況下，SoC設計由硬件設計和軟件設計兩部分組成，硬件設計主要采用寄存器傳輸級(Register Transfer Level，RTL)代碼實現，軟件設計主要在中央處理器(Central Process Unit，CPU)中實現，并通過加載Linux內核、編譯驅動和應用程序來控制硬件與外界進行交互。混合原型驗證是兩者功能相結合的一種驗證方法，可以進行軟硬件協同開發與調試。下面介紹混合原型驗證平臺的設計方法，并以UART IP核為例，詳細闡述其驗證過程和驗證結果，為IP核設計用戶提供一種新型的驗證方案。

1 混合原型驗證平臺

　　如圖1所示，混合原型驗證平臺由硬件平臺和虛擬平臺兩部分組成，兩者之間通過高速接口Transactors(XACTOR)互聯。其中硬件平臺基于HAPS(High-performance ASIC Prototyping System，HAPS)原型驗證系統實現，平臺中有一款容量高達450萬門的Virtex-6 LX760 FPGA(Filed Programmable Gate Array)，可以為用戶提供較大容量的RTL驗證；虛擬平臺主要由一套完善的開發工具包組成，在添加虛擬模型時，通過引入已經搭建好的虛擬軟件開發包，為軟件開發人員將虛擬原型演變為一套現成可用的參考開發工具[1]；XACTOR接口通過高速總線UMRBus(Universal Multi-Resource Bus)進行數據傳輸[2]，UMRBus是一種高性能、低延時通信總線，它能為所有板載FPGA、存儲器、寄存器和其他資源提供連接功能，其傳輸協議基于AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)協議實現。

　　1.1 硬件平臺

　　HAPS原型驗證系統由一套HAPS-61高性能ASIC原型驗證平臺和一套復雜的支撐軟件組成，支撐軟件包括：Certify FPGA代碼分割工具、Synplify FPGA綜合工具、Xilinx ISE布局布線工具、Confpro下載工具以及Identify在線調試工具。HAPS-61原型驗證系統的主要特點包括：容納高達450萬門的門級電路；843個用戶I/O接口；12個外部差分時鐘輸出；一個100 MHz的晶振，2個PLLs能夠產生高達700 MHz的時鐘頻率；可配置的電源網絡；高速UMRBus數據傳輸。

　　1.2 虛擬平臺

　　與傳統RTL級驗證相比，虛擬平臺的驗證建立在電子系統級(Electronic System Level，ESL)之上，運用SystemC庫和TLM 2.0標準，可以進行快速的系統建模，仿真速度比RTL高很多。虛擬平臺是由一套虛擬軟件開發包(Virtualizer Development Kits，VDK)組成，可以提供軟件的調試、分析和仿真功能，憑借ARM Cortex處理器的高性能模型、基于AMBA協議的總線以及DesignWare IP，開發者可以方便地將其基于ARM處理器的設計分割到虛擬平臺和硬件平臺中。在虛擬平臺中單獨仿真時，通過搭建已經驗證好的TLM模型，用戶可以脫離硬件進行仿真；在與硬件進行協同仿真時，通過引入TLM Library，然后在TLM Creator中模擬PHY或測試設備，再把模擬好的I/O模型映射到基于FPGA的硬件原型HAPS上，最后通過HAPS端口連接真實的外部世界，從而實現軟件和硬件之間的協同開發，加快了系統開發進度。

2 UART IP核混合驗證方案

　　2.1 整體方案設計

　　為了驗證已經設計好的UART IP核，構建如圖2所示的混合驗證方案。圖中，中間部分為HAPS硬件平臺，包含了全部FPGA硬件實現，其中UART IP核是自主設計的基于APB(Advanced Peripheral Bus)接口的待驗證IP核，XACTOR是由本系統提供的接口IP，兩端分別通過APB總線連接UART IP核，再通過UMRBus高速總線連接虛擬平臺；Clock/Reset是由HAPS提供的時鐘和復位模塊。左半部分為虛擬平臺，通過基于標準TLM2.0的XACTOR接口，用戶可以訪問硬件單元，從而實現基于事務級模型的協同仿真。虛擬平臺中事務級建模測試方法可以由2種方法實現：基于GFRBM(Generic File Reader Bus Master)模式的Testbench輸入和基于Linux內核的UART驅動加載，分別可以對硬件RTL中的寄存器讀寫功能和IP核數據傳輸功能進行測試。右半部分為連接RS-232串口的超級終端，通過Minicom工具來觀測IP核數據收發的正確性，進而協助虛擬平臺完成整個系統驗證[3]。

　　2.2 UART IP核設計

　　2.2.1 UART協議

　　UART接口是計算機串行通信廣泛使用的接口，包含了RS-232、RS-422、RS-485等串口。本設計采用Verilog來開發符合RS-232標準的UART IP核。UART傳輸只需要兩條信號線（RXD，TXD）就可以完成數據的相互通信，接收與發送是全雙工實現。其工作原理是將傳輸數據的每個字符進行編碼，一位接著一位的傳輸，傳輸的速率由波特率時鐘控制[4]。其中各比特的意義如圖3所示。

　　起始位：低電平信號發起，表示傳輸字符開始；

　　數據位：起始位后緊接著數據位，位數由7~8位構成一個字符，由時鐘控制從低位開始傳送；

　　奇偶校驗位：數據位加上這一位后，得出“1”的位數為偶數或者奇數，以此來校驗數據傳輸的正確性；

　　停止位：可以是1位、1.5位、2位的高電平，是一個數據幀結束的標志；

　　空閑位：處于高電平狀態，表示當前線路上沒有數據傳送，若空閑位后出現低電平，則表示下一個數據幀的起始位。

　　2.2.2 功能模塊設計

　　為了簡化IP核設計，在具備基本異步串行收發功能的前提下，去掉了Modem控制器功能模塊。IP核內部設計結構如圖4所示，主要由波特率發生模塊、線路狀態與控制模塊、接收模塊、發送模塊、接收FIFO模塊、發送FIFO模塊、中斷控制模塊等組成[5]。

　　各模塊之間的工作關系如下：當發送數據時，APB總線把數據寫入發送FIFO中，當發送移位寄存器是空時，先由發送邏輯根據線路狀態對數據進行配置，即在數據頭部加上起始位，在數據尾部加上奇偶校驗位和停止位，然后把數據壓入到發送移位寄存器中，最后在發送時鐘的控制下，通過Data_out線把數據發送出去；接收數據時，在接收時鐘的控制下，串行數據通過Data_in線逐位送入接收移位寄存器中，當檢測到停止位時，數據被轉換為并行數據并送入接收FIFO模塊中，并被總線讀取，后面進入空閑狀態，等待下一次任務。

　　線路狀態與控制模塊通過地址選通信號鎖存片選信號和地址信號，當片選信號有效時，鎖存讀、寫選通信號，當檢測到讀或寫的數據到來時，進行相關寄存器操作。

　　中斷控制模塊要求當任何中斷發生時，中斷使能寄存器根據中斷優先級的不同，允許對應的中斷發生。UART IP核的中斷申請可以分為4個優先級，從高至低的順序為：INT0（接收器狀態錯誤），INT1（接收數據準備好），INT2（發送器空），INT3（Modem控制中斷）。

　　2.2.3 構建UART IP核的FPGA工程

　　設計完基于APB接口的UART IP核后，為使虛擬平臺能夠通過UMRBus總線訪問IP核，需要把IP核添加到頂層文件包含UMRBus高速接口的FPGA工程中。該功能模塊是由例化的XACTOR實現，XACTOR是由本平臺提供的接口IP，主要通過AMBA協議實現軟件平臺與硬件平臺之間的數據傳輸，每一個XACTOR由一個CAPIM（Client Application Interface Module）組成，系統總共提供了5類XACTOR供用戶使用：APB、AHB、AXI、GPIO、INT。用戶需要根據自己設計的IP核接口類型，選擇對應的XACTOR添加到自己的工程中，然后修改相應的端口、時鐘、reset信號等，從而產生包含UMRBus高速接口的FPGA工程。

　　2.3 虛擬平臺設計

　　2.3.1 搭建虛擬平臺

　　本方案需要在虛擬平臺中創建虛擬模型，并分別搭建能夠對硬件RTL寄存器讀寫功能測試和對IP核數據傳輸功能測試的虛擬平臺。其中，對硬件RTL寄存器讀寫功能測試的虛擬平臺如圖5所示。圖中，i_GFRBM_TLM2作為事件發起方(Initiator)，通過連接tlm2bus總線，可以與硬件平臺進行操作；i_ClockGenerator是虛擬時鐘產生模塊，為總線和Initiator提供時鐘單元；i_ResetGenerator是虛擬模型復位模塊，提供系統的復位功能；i_TlmTarget2UmrAMBA和i_IntInitiator2Umr是基于SystemC實現的并與硬件CAPIM相對應的XACTOR，通過標準的TLM2.0 Socket接口，實現軟件平臺與硬件平臺的數據交互功能。

　　2.3.2 設計腳本

　　虛擬平臺搭建完成后，需要在i_GFRBM_TLM2中寫入測試腳本訪問硬件寄存器，以測試IP核寄存器設計是否正確。在GFRBM模式下，Testbench采用標準的STL 2.0(Socket Transactor Language)語言實現，STL是由OCPIP(Open Core Protocol International Partnership)組織提出的標準Socket語言，主要由3個不同的子集組成：

　　(1)Basic commands：基于單指令任務的控制傳輸模式；

　　(2)Macro statements：采用短指令的突發傳輸序列；

　　(3)Behavioral statements：用戶自定義控制指令。

　　根據本設計需要，UART IP核可以被訪問的寄存器名字和地址如表1所示。

　　可訪問的寄存器確定完成后，采用STL語言編寫測試腳本，示例如圖6所示。

3 驗證過程與結果分析

　　混合原型驗證方案中，對IP核進行混合驗證之前，首先需要使用仿真器對RTL代碼進行仿真。當仿真通過之后，才可以在硬件平臺上進行混合原型驗證。硬件實現時，首先采用Certify工具進行代碼分割，再使用Synplify工具進行代碼綜合，然后使用ISE工具進行布局布線并產生可加載的.bin文件，最后使用Confpro工具配置硬件系統。當硬件系統配置完成后，按照圖2所示的方式進行連接，并啟動虛擬平臺開始混合原型驗證。

　　3.1 寄存器讀寫功能測試

　　在虛擬平臺中通過GFRBM模式對UART IP核進行寄存器讀寫訪問時，參照2.3.1節中搭建的虛擬平臺和2.3.2節中給出的測試腳本，分別采用固定值讀寫和隨機數讀寫兩種方式測試寄存器，結果如下：

　　(1)固定值讀寫測試：分別對表1給出的寄存器寫入固定值0x0000、0x5555、0xaaaa、0xffff，然后讀取該寄存器的值。經對比，讀出值與寫入值完全一致。

　　(2)隨機值讀寫測試：分別對表1給出的寄存器寫入隨機值$random, 然后讀取該寄存器的值。經對比，讀出值與寫入值完全一致。

　　3.2 UART數據傳輸測試

　　與寄存器讀寫功能測試不同，在測試UART IP核的傳輸功能時，首先仿照2.3.1節的方法，構建包含處理器IP核模型的虛擬平臺，然后在虛擬平臺中加載ARM?誖CortexTM處理器IP模型，并編譯UART軟件環境，包括操作系統、驅動以及應用程序等。測試時，首先在虛擬平臺中對IP核進行傳輸配置，包括傳輸速率、數據位、奇偶校驗等，并把發送數據通過IP核發送到TXD端口，再通過串口傳送到上位機超級終端進行顯示；接收數據時，超級終端發送數據至IP核的RXD端口，虛擬平臺讀取IP核接收的數據，然后把數據在虛擬平臺中打印出來，從而確定IP核傳輸功能的正確性。下面分別采用單端發送和回環傳輸兩種方法進行測試。

　　(1)單端發送測試：即從虛擬平臺發送數據，通過UART IP核傳送至超級終端Minicom，在Minicom中顯示發送的數據是否正確。虛擬平臺中，對UART IP核數據傳輸協議配置如下：傳輸速率9 600 b/s、8 bit數據、無校驗位、1 bit停止位，同樣在Minicom中配置相同的傳輸參數。經測試，Minicom接收的數據與發送數據完全一致。測試結果如圖7所示。

　　(2)回環測試：即從虛擬平臺發送數據，通過UART IP核傳送至Minicom，Minicom接收到數據后，再把接收到的數據發送至UART IP核，虛擬平臺讀取IP核接收的數據，然后在虛擬平臺顯示窗口進行收發數據對比，以此確定回環傳輸的正確性。同樣在虛擬平臺和Minicom中配置如下參數：傳輸速率9 600 b/s、8 bit數據、無校驗位、1 bit停止位。經測試，虛擬平臺接收的數據與發送數據完全一致，從而確定整個通路傳輸是正確的。

4 結論

　　本文介紹了基于虛擬平臺與硬件平臺相結合的混合原型驗證技術，并以UART IP核為例，對設計過程進行分析并對結果進行驗證。由于采用了混合原型驗證技術，使得SoC設計人員在開發早期便可發現設計的缺陷或故障，進而改進系統的功能和性能，降低開發風險。另外，本方案開發的IP核完全采用Verilog語言設計，移植性好，其接口采用標準的APB總線接口協議，所以不需要用戶進行修改，便可很好地應用于SoC設計中，具有較高的應用價值。

參考文獻

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　　[2] UMRBus Communication System Handbook.2012，V3.14[DB/OL]．http：//www.synopsys.com.

　　[3] 吳君欽，李艷麗.一種SoC軟硬件協同驗證方法的設計[J].江西理工大學學報，2011，32(3)：65-68.

　　[4] 朱勤，錢敏.嵌入式UART的設計及FPGA驗證[J].通信技術，2012，45(241)：150-153.

　　[5] 董大成，張建東，史國慶.基于FPGA的UART IP核的設計與實現[J].計算機測量與控制，2012，20(8)：2251-2253.