利用FPGA软硬件协同系统验证SoC系统的过程和方法 - 全文

摘要: 设计了一种基于FPGA的验证平台及有效的SoC验证方法，介绍了此FPGA验证软硬件平台及软硬件协同验证架构，讨论和分析了利用FPGA软硬件协同系统验证SoC系统的过程和方法。利用此软硬件协同验证技术方法，验证了SoC系统、DSP指令、硬件IP等。实验证明，此FPGA验证平台能够验证SoC设计，提高了设计效率。

引言
随着集成电路技术的发展以及EDA 设计水平的迅速提高, 基于IP(Intellectual Property) 进行SoC(System on Chip)芯片设计的能力和技术得到了大大的提高。在一些应用中，需要处理的数据量不断增大，并且处理时间也要缩短，数据运算更加复杂，内嵌DSP核处理器的SoC技术能够缩短处理时间并能进行大数据量的处理，提高可靠性,缩小体积，降低功耗。因此本文研究一种基于DSP的SoC芯片的FPGA验证方法，并将整个系统包括DSP处理器、片上总线、ASIC、内存模块、I/O 外围设备及其他IP模块集成到一个芯片中。而在复杂的内嵌DSP核的SoC 芯片的系统设计中, 为了保证SoC芯片设计的正确性, 验证工作变得越来越重要, 也更加复杂。FPGA验证是复杂芯片和SoC芯片设计验证的一种有效手段，可以弥补软件模拟仿真的不足，减少验证时间，检验SoC的设计是否实现了设计规范确定的功能，从而提高SoC芯片流片成功率。

1基于DSP核控制的SoC系统

本文设计的SoC系统采用国内自主研发DSP核，主要包括： DSP处理器核、片上AXI总线、PWM、事件捕获器、看门狗控制、中断控制器、复位管理、存储模块、I/O以及其他外设（UART、CAN、SPI等）模块。这些模块与DSP核之间通过AXI总线连接，进行数据通信。AMBA AXI的总线协议具有高性能、支持高频传输、高速亚微型系统互连的特征，为主从结构，一切触发都由主设备发起。核间通信总线采用SoC系统中应用最多的AXI总线结构，比较灵活，可满足对带宽需求不同的各种IP。

基于DSP的SoC系统结构框图如图1所示。

 

图1 基于DSP的SoC系统结构框图

2 SoC系统的FPGA验证平台

FPGA验证平台用于SoC芯片验证，可以对大规模SoC系统的设计进行快速准确的实时验证，根据不同SoC规模容量，采用不同的FPGA硬件资源，硬件平台建设也有所不同。由于FPGA具有静态可编程和在线动态重构特性，能够使硬件功能电路同软件程序一样方便修改，使得FPGA验证修改十分方便、实时性好，还可以缩短开发周期、降低开发成本。FPGA具有的这些特点使其成为通用的SoC功能验证的器件，为SoC的系统原型验证提供了一个非常合适的平台。目前FPGA已经从系统集成、系统存储、系统时钟和系统接口4个方面满足了SoC芯片验证的要求，为快速系统原型验证提供了一个非常合适的平台。本文的FPGA验证平台采用Xilinx Virtex6 LX760器件，是建立在Xilinx Virtex6 FPGA板上的软硬件联合验证系统，并用ISE13.3进行综合和布局布线。另外，此FPGA硬件验证平台包括支持DSP程序下载的JTAG接口。

2.1FPGA硬件平台搭建
硬件平台搭建主要使用了两个Xilinx Virtex-6 LX760 FPGA器件，具有15.2M个逻辑门。Virtex-6 LX760面向高端应用，具有更多的时钟和存储资源，而且能够支持更快的速度。通过分析,所选择FPAG能够满足此SoC验证使用，为了实现通用性，该FPGA硬件验证平台采用了子板和母板相结合的方式。

在母板上设置有通用的FPGA芯片、相应的PROM、系统全局时钟的选择和配置模块、系统复位逻辑、FPGA芯片下载接口、与子板连接的connector接口等模块。子板根据验证需求，配置了JTAG调试子板，以提供DSP仿真器连接的调试接口。另外还设计配置了验证EMIF访问外部存储设备通路的SRAM存储器子板。为了方便测试和验证EMIF接口功能，在这两类测试子板上，都设有关键信号的测试探测点，以方便测试一些基础的时钟、复位信号以及其他探测信号。

2.2FPGA软件环境搭建
在SoC 设计中，经常会使用一些硬IP 核（如PLL、SRAM、ADC、USB transceiver 等），而在采用FPGA验证技术验证ASIC及SoC设计的过程中，需要做ASIC设计原码的转换，所以首先需要对SoC进行修改，以适合FPGA的开发环境。如门控的处理，添加PLL对所需要的时钟进行适当的分／倍频，存储单元RAM、FIFO的替换，修改子模块配置，特殊单元的处理等。还要根据特定的硬件平台增加FPGA 相关时序Timing的约束和I/O引脚的指定约束，并搭建一个能够自动仿真和验证的环境。在FPGA验证过程中主要使用ISE13.3内置综合工具或专用综合工具对RTL进行编译、综合，生成网表。生成的网表可以生成bit文件，包括优化、适配、bit文件生成等。进行静态时序分析，检查是否满足预定的时钟频率要求，若不能满足，则重新进行综合编译优化。如果多次进行优化仍不能满足时序要求，则根据违反时序信息查找关键路径，对RTL设计代码进行修改优化。

FPGA验证软件除了需要上述提到的综合布局布线的软件环境ISE13.3外，还需要FPGA内部信号在线调试工具Chipscope，即时抓取一些内部逻辑信号，分析内部逻辑正确与否。在验证调试阶段，还需要DSP核下载调试软件CCS3.3，以编写控制处理器核DSP运行软件的测试程序。

2.3软硬件协同验证系统
FPGA验证SoC系统方法是软硬件协同仿真和验证，并搭建软硬件协同验证平台系统。实现的基础条件是能够满足工作要求的FPGA硬件平台，以及有力的设计描述及编译工具等软件环境。而基于DSP控制的SoC验证系统还需要DSP软件程序开发环境及下载通路等。

2.3.1FPGA软硬件协同验证架构
FPGA验证是为了实现和验证SoC芯片在实际硬件环境下的功能和运行工作情况。针对本文提出的基于DSP的SoC系统，搭建能够实现和验证其DSP程序指令及内部电路工作的软硬件协同验证系统平台。建立的FPGA软硬件协同验证系统的基本架构如图2所示。

其中包括FPGA原型验证需要的Xilinx Virtex6芯片的FPGA验证母板、支持下载bit文件及验证调试过程中需要的Xilinx FPGA编程器及下载线、能够支持正确下载DSP激励测试程序的DSPJTAG调试子板、支持DSP芯片的仿真器、安装有TI CCS软件和 ISE13.3,以软件及支持DSP芯片驱动的计算机。

 

图2 FPGA软硬件协同验证系统的基本架构

2.3.2验证过程
软硬件协同验证过程分以下几个步骤：

① 首先把要验证的SoC系统由ISE13.3自动综合及布局布线实现后生成相应的FPGA位流文件，经JTAG下载至构建的FPGA验证系统中的FPGA芯片或对应的PROM中。

② 通过微机CCS开发界面编写控制内部DSP核运行的程序，完成程序启动初始化、测试激励程序编译、开发验证IP及系统需要的程序。

③ 通过DSP仿真器以实时的方式进行软硬件协同验证过程中的管理控制，通过编写及测试程序的加载、运行、调试，实现对DSP核单步操作、连续运行等；通过设置正确中断服务程序、设置断点、观测DSP核内部寄存器及SoC配置寄存器值等分析DSP核运行及操作IP情况。

④ 通过不同的控制程序驱动运行相应功能IP模块及整个系统工作运行，验证IP功能及不同IP之间的交互和总线竞争。

在验证过程中可以根据IP功能及SoC系统特性使用示波器观测引脚信号，利用Chipscope软件抓取内部信号来判断逻辑关系及系统运行的准确性，验证DSP核、SoC系统及相应IP功能；验证系统各模块间的相互操作、片上系统内的数据相互流通功能；验证所有IP集合协同运行情况；验证整个系统的正确性。具体验证流程图可参见图3。

3 SoC系统及IP模块功能验证

对SoC系统及内部IP功能模块进行验证，需要首先验证FPGA软件平台及硬件平台的正确性，才能在CCS环境下编写控制DSP的程序以验证SoC系统设计及各个功能模块的正确性。CCS编程器与FPGA硬件平台连接正确后，可通过下载编写控制DSP内核的程序，验证DSP运行正确性，并通过编写控制其他IP逻辑模块验证SoC系统内部交互及IP逻辑设计。其中主要进行了下面几种功能模块划分及其验证，通过验证功能模块也进一步验证了SoC系统及片上总线等设计的正确性。

3.1 DSP核的验证
通过CCS开发界面对DSP内部寄存器进行读写操作并观测DSP内部寄存器的变化以实现验证DSP的功能，分别对DSP内部的Timer、GPIO、中断寄存器等进行读写及功能验证，并通过DSP控制其他各类寄存器以验证DSP核的正确性。

3.2 EMIF及片上储存设备的验证
利用DSP能够正确读写片上存储器设备及支持各类读写操作，对片上存储设备进行验证。为了验证EMIF接口，在FPGA工程里对EMIF I/O口进行绑定约束使其与SRAM存储器子板进行正确的连接，通过DSP对EMIF空间寄存器的控制，使DSP能够正确地对连接在EMIF外的SRAM进行各类型的读写操作，可验证EMIF接口设计。

 

图3 基于DSP的SoC系统的FPGA验证流程图

本SoC系统中设计的EMFI接口模块可以连接4个外部存储空间CE0~CE3。通过ISE工具使用Xilinx Virtex6芯片的FPGA IP core例化4个宽度为32位、深度为64位的SRAM,并且将它们连接到CE0～CE3空间接口上。在CCS中，初始化CE0~CE3空间接口，对各空间前16个地址写数据，之后对这些地址进行读操作。执行单步调试命令，可以成功读取CE0～CE3空间地址里面写入的数据。DSP核指令代码，首先配置全局控制寄存器，选择DSP提供的系统时钟，指令代码写全局控制寄存器：
*（int*）0x4000a000 = 0x00000000

配置CE0~CE3时钟寄存器和空间寄存器:
*（int*)0x4000a004=0x00000004；*（int*)0x4000a008=0x00000006；
*（int*)0x4000a00C=0x00000008；*（int*)0x4000a010=0x0000000a；
*（int*)0x4000a014=0xffffffe6；*（int*)0x4000a018=0x1091c226；
*（int*)0x4000a01c=0x30d5c846；*（int*)0x4000a020=0x2251c736；

对各空间前16个地址写数据，之后对这些地址进行读操作的DSP核指令代码：
for(i=0；i<16；i++){
*（int*）（0xC0060000+4*i) = (0x00000600+i）；
*（int*）（0xD0060000+4*i) = (0x00000700+i）；
*（int*）（0xE0060000+4*i) = (0x00000800+i）；
*（int*）（0xF0060000+4*i) = (0x00000900+i）；
}
for(i=0；i<16；i++)
{
temp_data = *(int*)(0xC0060000+4*i)；
temp_data = *(int*)(0xD0060000+4*i)；
temp_data = *(int*)(0xE0060000+4*i)；
temp_data = *(int*)(0xF0060000+4*i)；
}

运行DSP核指令代码，观察CE0~CE3寄存器的值，能够成功进行读写,验证了EMIF的正确性。

3.3事件捕获、看门狗等功能模块的验证
通过DSP操作控制看门狗逻辑模块寄存器，看门狗能够正确运行，并能够正确影响复位模块以验证看门狗IP模块。通过DSP正确操作CPI等寄存器，使CPI模块产生中断并发送至DSP，DSP能够正确响应中断信号进行及时处理。为了方便验证CPI功能，此SoC验证CPI模块把PWM产生波输入到CPI模块，配置CPI捕获模式，当CPI模块输入有变化时，进行捕获产生中断。当发生中断时，CPI_INT为高电平，当DSP处理后会变为低电平信号。验证方法原理如图4所示。

 

图4 验证CPI模块原理框图

在Chipscope中正确设置触发条件并通过FPGA编程器及JTAG传送到PC主机，可观察其逻辑波形的正确性。CPI中断事件图略——编者注，可以看出，CPI_INT6从高电平到低电平的转换，可说明DSP对CPI中断事件进行了处理，并正确响应外部中断。可验证正确设置CCS配置IP模块寄存器后，IP硬件模块能够正常运行。

3.4 PWM、SPI、CAN、UART等外设模块
通过控制内部寄存器，能够产生正确的PWM波，分别在示波器及Chipscope上对一些信号进行采集及观测分析，验证其正确性，验证方法和验证CPI、EMIF相同。测试验证结果表明其功能正确。其中结合示波器测试PWM波，验证PWM设计的正确性，另外还使用相同方法验证SPI、CAN、UART等各IP功能的正确性。

结语

本文以一个DSP处理器控制的SoC芯片的开发与验证项目为例，介绍了关于FPGA的软硬件协同验证方法及过程，搭建FPGA验证硬件平台及软件平台环境， 并通过软硬件协同验证， 在线验证调试SoC系统中逻辑及功能设计, 并对每个功能模块进行了验证分析。通过CCS输入控制DSP程序进而控制SoC系统及内部IP模块，具有可观测性及实时性，实验结果表明，通过FPGA软硬件协同验证系统可以对目标SoC芯片进行功能验证及性能评估，缩短了基于SoC芯片的应用系统的开发时间，提高了流片成功率，整个验证平台及方法具有较高的可靠性。