IOT技术的5大验证和挑战

物联网(IoT)并不仅仅是一个最新时髦的词语，它是我们每天用于与大规模网络(我们称之为“互联网”)连接并由其提供支持的“事物”。从智能电话到智能城市、个人健康监护仪到机构医疗保健系统、互连家居到互连汽车和交通，这一切现如今都是IoT的一部分；而移动设备和可穿戴设备则是它们的“领跑者”。

IoT市场的实际和预期成长也对网络提供商具有重大影响。毕竟，如果没有网络基础设施的支持，IoT也将不复存在。大型网络公司面临着与IoT开发人员相同的验证挑战和需求。

拥有更多软件、更严格的功耗预算的更大、更复杂的设计，需要采用新的验证解决方案，以应对相关的技术挑战。本文探讨了在验证IoT和网络设计时,传统数字软件仿真和硬件原型不符标准以及使用硬件仿真对整个验证解决方案至关重要的原因；还说明了为什么传统内电路硬件仿真需要转换到以软件为中心的虚拟硬件仿真解决方案。Mentor Graphics是使用Veloce VirtuaLAB的解决方案领域的领导者。VirtuaLAB保留了传统硬件仿真的所有性能、容量和能力，同时增加了显著优势，包括灵活性、更高可靠性、远程访问、工作共享、易用性、更高投资回报以及项目管理。

技术和验证挑战

IoT和网络设计的以下五大特征对公司所面临的验证挑战具有最大的影响：每个芯片需承载更多协议、更大、更复杂的设计、较低的功耗使用要求、更多软件，以及更多交换机和路由器端口。

1.每个芯片需承载更多协议

由于更多应用程序和功能需要同时连接到网络，因此每个设备所使用的协议数量在不断增加。例如，手机需要连接到云存储空间、流式处理视频和音频、运行各种应用程序以及拨打/接听电话和收发文本信息。所有这些协议本身已经很复杂，由于它们与设计的其余部分之间存在如此多的通信和交互，因此它们会呈现出许多棘手的需要检查甚至调试的场景和边界情况。

将所有这些协议都置于单一SoC上会大大增加硬件复杂度。在芯片上进行内部和外部通信的协议越多，验证所需的周期就越长。

2.更大型的设计

较高水平的协议集成会增加复杂度和尺寸，此外，各种功能、多处理器和嵌入式软件也会增加其复杂度和尺寸。如今的客户要求设备可以处理越来越多的内容，需要集成数字、音频、语音和数据，且需要保持始终启用、连接状态。

集成的内容量越高，设计中存在的并发性就越多，验证系统就变得越发困难。新的验证解决方案必须能够处理这些可运行数十亿门的大型、复杂的系统。

3.更低功耗

设计决策需要考虑功耗、区域和性能等因素，尤其是IoT设备的功耗。这使得系统级功耗分析和管理成为一项关键的衡量指标。能够及早提供准确功耗分析数据的验证解决方案对做出低功耗的设计决策至关重要。准确度取决于，在真实环境下，实际运行应用程序的SoC的功耗，这是基于测试平台的传统验证方法不符标准的原因所在。我们需要提供一种全新的、与IoT设备设计师的需求相符的低功耗分析方法。

4.更高端的软件内容

在软件仿真器上运行传统软件验证将失去动力。软件仿真进展太慢，无法对运行数十亿周期或数据帧的SoC执行充分的应力测试。这意味着，设计师不得不在功能方面做出妥协。他们不能完全理解系统或SoC中究竟发生了什么情况，因为他们无法生成和隔离可能在实际应用中导致问题的边界情况。

同样，较多的软件内容会大大增加SoC的开发成本，因为软件的开发要求为每位硬件工程师配备五到十名软件工程师。因此，这些软件工程师需要尽可能高效地执行相关验证。

他们需要一种能够提升OS性能的验证解决方案，并在硬件原型可用之前于目标硬件上运行软件应用程序。此外，此解决方案还具有执行全面验证软件所需的数十亿周期的容量和速度。

图1：增加软件内容可推动SoC开发并节约成本。

5.增加网络交换机和路由器活动

IoT正在不断推动网络发展，因为消费者需要更多的带宽、更加丰富的多媒体，以及更多视频流和音频流。网络公司需要以更高的带宽、更优异的性能计算和更多专注于内容的应用程序来满足此需求。以太网的制定和其他相关的网络标准用以满足这些需求，并通过更快速的网络协议和更多端口来改善网络服务。

例如，为了满足大量网络配置的需求，开发人员在研发新的网络芯片时不得不将数以千计的以太网端口置于单个SoC上。如此一来，在一个硬件测试环境中为所有端口提供连接就变得不可能了。因此，网络公司需要在软件中采取某种方式才能做到这一点。

为IoT提供硬件仿真验证解决方案

所有这些软硬件都需要大量的验证，并且这些验证不会变得更加简单，而只会变得越发困难。当然，来自市场的压力正在持续迫使设备的开发时间变得越来越短，以保持竞争力。硬件仿真是提供容量、性能和周期的唯一方式，以验证组成IoT的大型、复杂、大量软件的设计。但是，需要为IoT量身定制新的硬件仿真解决方案。

认识到这一需求后，Mentor确定，处理这些复杂系统的最佳方式就是让Veloce复制IoT公司设计的方法。这包括从其手机和其他产品上运行的应用程序中断开硬件和操作系统。此方法是可行的，因为终端用户往往比较关注自己想要使用的应用程序，并希望这些应用程序可以在其所拥有的任何操作系统或设备上都可以运行。

因此，通过Veloce硬件仿真平台，设计师可以以他们在设备上运行应用程序相同的方式，使用Veloce应用程序来测试他们的设计(不论是哪种细分市场：存储、网络、移动、图形)。Veloce OS为内部或第三方开发的应用程序提供了一个硬件仿真器界面。这些应用程序可在被称为Veloce OS的单一操作系统上运行。由于Veloce OS与任何版本或任何型号的Veloce硬件系列都兼容，因此用户可轻松使用下一代平台并能够从中受益，这将会保护他们的投资并在公司的绩效和容量需要增加时提供可扩展性。

图2：Veloce OS及应用。

此外，Veloce OS还支持企业服务器，企业服务器可使用LSF软件优化资源使用量并提供工作管理。这样，用户可以将工作从其桌面提交到位于全球任何地方的数据中心的Veloce硬件仿真资源中。企业服务器支持在多种使用模式下为多个项目、团队、用户同时使用Veloce。企业服务器可确定在哪里有效地分配单个或多个项目，以确保最高效地利用Veloce资源。因此可以随时随地高效地访问数据中心友好型硬件仿真系统。

但是，如果执行设计所需的外围设备和协议并非基于软件，那么所有这些操作都将是徒劳。这便是Mentor开发Veloce VirtuaLAB的原因。VirtuaLAB已经改变了基于SoC的硬件仿真的方式，并为企业服务器功能做好准备，将实验室环境转变成只需硬件仿真器和工作站来执行协议模型软件版本的数据中心。由于VirtuaLAB使用与ICE硬件解决方案相同的协议IP和软件堆栈，因此可以利用软件的灵活性和可重复结果，提供与基于传统ICE验证相同的功能，进而为用户提供硬件准确度。

与ICE相比，其具有实实在在的优势：

●更高的可靠性，因为其消除了常会引发故障的外部硬件和布缆。

●通过高效的多用户环境提供更高生产率，并能通过只改变其编译参数(而不是换入/换出混乱不堪的外部硬件底盘和缆线)远程重新配置 VirtuaLAB模型。

●利用可靠、低成本的工作站来执行软件模型而非连接硬件(包括昂贵的测试仪)，进而降低总体成本。

●将硬件仿真器从实验室移入数据中心，以使多个团队可以随时随地使用硬件仿真器，就像一个PC场，从而实现更高投资回报。

●由于基于软件的解决方案具有较高的调试可见性并且设计人员可以访问在物理环境中很难使用的软件协议检查器和分析仪，因此可实现更高品质。

让我们一起来了解下基于Veloce软件的环境如何具体地解决IoT和网络开发人员面临的五大技术挑战。

协议解决方案

在某种程度上，软件解决方案可以更加轻松地获得准确的结果，因为硬件解决方案即使在使用相同的激励时也可产生不同的结果(取决于硬件出现时所处的状态)。因此，在设计中为协议采用基于软件的环境非常重要。Veloce 为多个细分市场提供协议解决方案，其中包括可提供主机/外围设备模型、协议试验程序/分析仪以及软件调试连接的一系列解决方案。

大型设计

随着设计尺寸的增加，硬件仿真容量也必须跟上节奏。Veloce利用可扩展平台来解决这一挑战。客户最初可能会使用Veloce Quattro来满足他们的需求。Quattro可为每个系统和多达16个用户处理多达2.56亿门。再进一步就是，支持多达64个用户的十亿门Veloce Maximus。Double Maximus系统具有多达20亿门和128个用户的容量。所有Veloce型号和版本都使用相同的Veloce OS，运行相同的应用程序，并且完全向后兼容，同时能够提供全面的可扩展性并保护投资。

低功耗

Veloce是进行低功耗分析的一个理想平台，因为其能够提供高水平的准确度，这一准确度仅在真实应用环境下运行设计方能得以实现。Veloce具有适当的速度和容量，可以启动OS和运行全面执行目标软件上运行的软件应用程序所需的数十亿周期，即使在具有数十亿门的硬件上也如此。Mentor创建了一个动态波形API流程，直接与集成到Veloce硬件仿真器中的功率分析工具相连接。通过与行业领先、第三方功耗分析工具(例如ANSYS)集成，客户可以在设计流程初期获得准确的功耗，以便针对功耗、区域和性能做出明智的设计决策。这点使Veloce电源应用程序软件比任何其他低功耗解决方案都要准确得多，其他硬件仿真系统是无法做到的。

软件调试

嵌入芯片上的软件必须与硬件同时进行验证。硬件仿真与软件仿真一样擅长于调试，对于较大型的设计，硬件仿真比软件仿真要快数千甚至数百万倍。Veloce提供大量解决方案，以满足软件工程师调试其嵌入软件之需。

Veloce通过提供虚拟探针来实现硬件仿真器的实时交互式调试。Veloce虚拟探针可提供与软件调试程序的虚拟连接，无需再使用硬件JTAG探针。这不仅消除了JTAG探针的部分固有问题，还充分利用了企业服务器。然而，交互式调试可利用硬件仿真器上宝贵的连接时间，即使硬件仿真操作在主动调试期间已停止亦是如此。在调试问题期间每秒运行零个硬件周期，是使用硬件仿真器的一种昂贵方式。因此，交互式调试应仅在绝对必要时方可使用。

此外，Veloce Codelink还支持离线和重放调试。Codelink提供标准软件开发工具的调试功能，包括软件调试程序中运行的代码与硬件波形中显示的位置之间的相关性。通过Codelink软件，硬件仿真器会生成多个数据库，这些数据库可离线用于调试会话。这是一个非常高效的环境，可腾出硬件仿真器用于其他任务和用户，同时又能够在一个或多个工作站离线执行软件调试。

交换机和路由器端口

成百上千个端口的设计需要与硬件拥有非常多的连接，而这些连接全都需要布线，这就使得在ICE硬件环境中验证网络交换机和路由器设计不再可行。此外，128以太网端口设计等通常采用数亿甚至数十亿个门的尺寸。

幸运的是，Veloce VirtuaLAB可通过将大多数的测试环境转移到软件中来克服硬件环境的障碍，并在可处理多达二十亿门的可扩展Veloce平台上运行。另外，VirtuaLAB协议解决方案还可满足网络交换机或路由器公司在验证其芯片时的所有关键目标：数据包延迟、带宽、数据包丢失、无序序列以及流量分析。

在典型的VirtuaLAB环境中，SoC将被载入Veloce硬件仿真器中。硬件仿真器通过一个或多个软件连接与工作站上的用户环境相连，以使工程师可与硬件仿真器中运行的DUT交互。对于以太网，工作站上运行的VirtuaLAB以太网数据包生成器和监视器(EPGM)应用程序将会生成虚拟以太网流量。EPGM会生成测试并对以太网流量提供可见性、分析和用户控制。

图3：VirtuaLAB EPGM设置。

结论：企业硬件仿真和IoT

凭借Veloce VirtuaLAB，Mentor可为IoT和网络提供商提供全新一代的验证解决方案。此解决方案灵活性更强、可见性更高，并且能够根据IoT和网络系统设计的容量和复杂度的增加而进行扩展。在提供传统的ICE功能的同时，它还可提高生产率以及设计质量，无需额外的缆线和硬件设备。

由于所有这些功能和技术都是建立在企业硬件仿真理念之上，因此所有硬件仿真资源均位于数据中心，并可由多个团队、用户和项目随时随地进行远程访问。VirtuaLAB环境为所有IoT市场上的IoT设备提供软件和硬件验证，从而为多个协议、复杂设计、加速低功耗应用程序以及硬件—软件调试提供高速验证解决方案。

设计用于组成IoT和网络生态系统的产品和网络，需要进行大量验证。使用硬件仿真是运行大量所需验证周期并调试大型、复杂设计的唯一方式。利用其独特的基于软件的验证解决方案和企业服务器模型，Veloce完全有能力为IoT和网络设计人员提供所需的验证级别。