验证工具介绍 - FPGA验证技术简介

　第三篇 验证工具介绍

　　我们做FPGA/IC开发会用到很多工具，包括代码输入、仿真、综合、布局布线、时序分析等各种各样工具，熟悉这些工具是成功完成设计的关键，因为我们的设计思想需要通过这些工具来实现，只有清楚的知道工具的用法、如何设置参数、如果检查工具的输出结果，才能使设计者的想法变为显示，对验证来说也是如此。

　　验证的工具很多，有些是验证必不可少的，例如仿真器，有些工具可以代替人完成最繁琐的工作，并能提高功能验证的可信度，例如linting和代码覆盖率工具。这里我们介绍常用验证工具的特点和用途，以便为工具的使用提供参考。

　　1)代码检查工具

　　常用的代码检查工具有nlint等，nlint根据设计的RTL描述代码结构做静态分析，推断描述代码存在的逻辑错误，但无法决定描述代码是否能够现实设计要求的功能。代码检查工具可用于强制代码遵从编写规范，由于代码检查工具工具是静态验证工具，因此运行速度快，可以节省时间。由于Verilog不是强类型语言，使用代码检查工具非常必要，可以检测race conditions 及数据宽度不匹配，可保证Verilog正确描述数据处理过程，避免造成数据的弃位及增位现象，这种错误通过仿真并不一定发现。因为verilog 语言的特点， 对Verilog描述的设计，Linting tool是一种有益的验证工具。因为VHDL 语言的特点，对VHDL使用Linting tool的作用不如对Verilog语言那么明显，但Linting tool还是能发现一些潜在的问题。

　　2)仿真器

　　仿真器是常用的验证工具，它通过忽略及简化设计的物理特性，对设计的实现进行模拟。仿真器通过执行RTL级的设计描述，模拟设计的物理实现，它无法确定设计真实的物理实现与设计描述之间的区别。仿真的结果取决于设计描述是否准确反映了设计的物理实现。仿真器不是一个静态工具，需要编写激励和检查输出响应。激励由模拟设计工作环境的testbench 产生，响应为仿真的输出，由设计者确定输出的有效性。

　　仿真器的类型分为3种类型，Event-driven Simulator(事件驱动仿真器)、Cycle-Based Simulator(基于周期的仿真器)、Co-Simulator(联合仿真器)，分别介绍如下：

　　1.Event-driven Simulator

　　事件驱动仿真器是最常用的仿真器，例如modelsim/VCS等都是事件驱动仿真器，它将信号的变化定义为一个事件，该事件驱动仿真执行，事件驱动仿真器能准确地模拟设计的时序特征，可模拟异步设计。

　　2.Cycle-based simulator

　　Cycle-based simulator仿真器的特点是忽略设计的时序，假定所有flip_flop的setup和hold时间都满足要求，在一个时钟周期，信号仅更新一次，从而信号必须与时钟同步。仿真速度比事件驱动仿真器高。基于周期的仿真器的工作过程步骤是，首先编译电路，将组合逻辑压缩成单独的表达式，根据该表达式可确定flop的输入，然后执行仿真，遇到时钟的有效沿， flip_flop 的值被更新。基于周期的仿真器的缺点是不能仿真异步电路，不能进行验证设计的时序。

　　3.Co-Simulators

　　联合仿真器对同一设计各个部分，分别用不同的仿真器仿真，如即含有同步设计又含有异步设计的电路，可用Event-driven Simulator对异步设计仿真，用Cycle-based Simulator对异步设计仿真。联合仿真器中各个Simulator 的操作是locked-step的，类似于电路的pipeline 操作。其缺点是由于不同仿真器之间需要同步和相互通讯，Co-Simulators的仿真速度受到最慢Simulator的限制，因而影响仿真器的性能，而且在各仿真器传送的信息会产生多义性。

　　4.Hardware modeler

　　硬件模拟器创建一个物理芯片的逻辑模型，向仿真器提供该芯片的行为信息，芯片和仿真器的通信过是首先将物理芯片插入硬件仿真器，然后格式化来自仿真器的数据，作为该芯片的输入，最后将该芯片输出的数据，包含时序信息，送往仿真器。硬件模拟器可以提供很高的仿真速度，但是设备价格高昂。需要注意的是，硬件模拟器做的仍然是功能仿真，而不是时序仿真，因为芯片是降频运行的。

　　3)波形观察器

　　仿真调试的过程中波形观察器是必不可少的工具，它能提供信号状态和变化的详细信息，但是波形观察器不能用来判断一个设计是否通过验证，因为波形是不可重复的且无法用于递归仿真。

　　波形观察器的优点是可以观察仿真的整个过程，有利于设计及testbench 的诊断，缺点是由于要输出波形，影响了仿真的速度，因此应尽可能限制在波形图中显示的信号数量及时间长度。波形观察器的另一个作用是波形比较，主要用于 redesign，保证设计具有cycle-accurate的后向兼容性。在波形比较中，不能仅看表象，需仔细分析，确认波形之间存在的差别是有意义的。例如，有时我们仅关心波形transitions之间的相对位置，而不关心它的绝对位置。

　　以上是比较常用的验证工具，另外可能用到的验证工具有：形式验证工具、静态时序分析工具以及Vera、SpecmanE、SystemC等高级语言验证工具，这些工具在复杂的IC/FPGA设计中用得比较多。