0 引言

　　隨著集成電路設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加，驗(yàn)證的難度也日益加大。傳統(tǒng)的基于Verilog的驗(yàn)證效率低、可重用性差，為此，工業(yè)界推出了具有面向?qū)ο筇匦浴⒅С旨s束隨機(jī)與斷言等功能的標(biāo)準(zhǔn)化硬件描述與驗(yàn)證語(yǔ)言SystemVerilog[1]。

　　對(duì)SoC等大型設(shè)計(jì)的驗(yàn)證多采用基于方法學(xué)的驗(yàn)證進(jìn)行，文獻(xiàn)[2]基于UVM建立測(cè)試平臺(tái)對(duì)RISC CPU進(jìn)行驗(yàn)證，充分體現(xiàn)了基于方法學(xué)的驗(yàn)證對(duì)于大型設(shè)計(jì)的高效性。對(duì)中小型設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，相對(duì)于基于方法學(xué)搭建的測(cè)試平臺(tái)，基于SystemVerilog搭建的測(cè)試平臺(tái)更具靈活性、易操作性[3]。文獻(xiàn)[4]基于SystemVerilog開發(fā)高級(jí)驗(yàn)證環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試平臺(tái)在定向測(cè)試和隨機(jī)測(cè)試的重用，但對(duì)驗(yàn)證環(huán)境的配置實(shí)現(xiàn)介紹較少；文獻(xiàn)[5]著重介紹了可重用測(cè)試平臺(tái)的層次化結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的驗(yàn)證組件，但缺乏對(duì)實(shí)現(xiàn)可重用性的關(guān)鍵技術(shù)的討論。本文以層次化思想為指導(dǎo),采用SystemVerilog語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)可重用測(cè)試平臺(tái)。

1 可重用測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

　　1.1 ARINC429收發(fā)器IP核簡(jiǎn)介

　　在現(xiàn)代飛機(jī)上，多采用ARINC429總線進(jìn)行通信。根據(jù)ARINC429總線規(guī)范[6]，設(shè)計(jì)ARINC429收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與機(jī)載設(shè)備的通信，并將其IP化，便于復(fù)用。ARINC429收發(fā)器采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　ARINC429收發(fā)器的功能具體包括：(1)實(shí)現(xiàn)全局異步復(fù)位；(2)不同的速率模式通信；(3)異步FIFO的緩存；(4)發(fā)送器發(fā)送立即、循環(huán)數(shù)據(jù)；(5)發(fā)送器對(duì)接收的RS232數(shù)據(jù)正確處理；(6)發(fā)送器將RS232正確轉(zhuǎn)換成ARINC429數(shù)據(jù)發(fā)出；(7)接收器正確處理接收的ARINC429數(shù)據(jù)；(8)接收器將ARINC429數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS232數(shù)據(jù)發(fā)出等。

　　1.2 可重用測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

　　1.2.1 測(cè)試平臺(tái)層次化[7]

　　傳統(tǒng)的采用Verilog實(shí)現(xiàn)的測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)者難以對(duì)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，往往將大部分測(cè)試組件放在一個(gè)大的文件中，這使得測(cè)試代碼難以維護(hù)、復(fù)用和擴(kuò)展。所以ARINC429收發(fā)器IP核的測(cè)試平臺(tái)引入驗(yàn)證方法學(xué)中層次化的思想，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范與驗(yàn)證計(jì)劃，采用SystemVerilog語(yǔ)言搭建層次化測(cè)試平臺(tái)，如圖2所示。

　　ARINC429收發(fā)器IP核測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)自底向上為信號(hào)層、命令層、功能層、場(chǎng)景層和測(cè)試層等5個(gè)層次。測(cè)試平臺(tái)的重用指的是驗(yàn)證環(huán)境的重用，即不同的測(cè)試案例能夠重用同一驗(yàn)證環(huán)境。驗(yàn)證環(huán)境由包含配置器和發(fā)生器的場(chǎng)景層、包含記分板與檢查器的功能層以及包含驅(qū)動(dòng)器、斷言和監(jiān)視器的命令層組成。覆蓋率收集器通過(guò)收集統(tǒng)計(jì)代碼與功能點(diǎn)的覆蓋信息可以衡量測(cè)試在滿足驗(yàn)證計(jì)劃要求方面的進(jìn)展。

　　測(cè)試平臺(tái)的頂層是測(cè)試層，根據(jù)驗(yàn)證計(jì)劃開發(fā)不同的測(cè)試案例，通過(guò)信箱(mailbox)將信息傳遞到場(chǎng)景層；場(chǎng)景層中配置器為測(cè)試環(huán)境配置參數(shù)，通過(guò)將參數(shù)傳遞給發(fā)生器和驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的配置，發(fā)生器則根據(jù)收到的配置信息生成測(cè)試激勵(lì)；功能層包含記分板和檢查器，其中記分板主要包含參考模型，參考模型的輸入為發(fā)生器生成的激勵(lì)，輸出傳遞到檢查器，檢查器通過(guò)對(duì)比記分板與監(jiān)視器的輸出信息來(lái)判斷待測(cè)設(shè)計(jì)正確與否；命令層中驅(qū)動(dòng)器接收發(fā)生器生成的測(cè)試激勵(lì)與配置器的配置信息，并將激勵(lì)驅(qū)動(dòng)到待測(cè)設(shè)計(jì)ARINC429收發(fā)器IP核，斷言和監(jiān)視器用于監(jiān)視DUT的相應(yīng)輸出；最底層信號(hào)層中待測(cè)設(shè)計(jì)ARINC429收發(fā)器IP核接收驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的測(cè)試激勵(lì)，并將輸出傳送到監(jiān)視器。

　　層次化是測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可重用的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)層次劃分，將各驗(yàn)證組件按功能編成不同的類(class)，便于重用、修改與擴(kuò)展。

　　1.2.2 工程組織架構(gòu)

　　本驗(yàn)證工程采用層次化的組織架構(gòu)，工程組織架構(gòu)如圖3所示。

　　本驗(yàn)證實(shí)例中驗(yàn)證工程名為“ARINC_top”，包含4個(gè)主要的一級(jí)結(jié)構(gòu)，即待測(cè)設(shè)計(jì)(ARINC)、測(cè)試案例(Testcases)、測(cè)試平臺(tái)(Testbench)和待測(cè)設(shè)計(jì)的編譯庫(kù)文件(lib_files)。測(cè)試平臺(tái)(Testbench)包含測(cè)試環(huán)境(Env)與測(cè)試平臺(tái)執(zhí)行腳本(scripts)2個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)。測(cè)試案例(Testcases)包含2個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)：直接測(cè)試(Direct)和隨機(jī)測(cè)試(Random)，測(cè)試案例均以類的形式設(shè)計(jì)，在測(cè)試平臺(tái)的頂層。測(cè)試平臺(tái)執(zhí)行腳本是以TCL語(yǔ)言編寫的擴(kuò)展名為.do的文件，用于測(cè)試工程的文件組織與仿真進(jìn)度的自動(dòng)控制。

　　相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的層次化工程組織架構(gòu)，本架構(gòu)做了改進(jìn)。標(biāo)準(zhǔn)的層次化工程組織架構(gòu)中，頂層模塊中例化了環(huán)境類，環(huán)境類中包含了測(cè)試用例，這限制了添加和修改測(cè)試用例的靈活性，不利于測(cè)試平臺(tái)的重用。本架構(gòu)將測(cè)試用例從測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)中分離出來(lái)，用測(cè)試用例類代替驗(yàn)證環(huán)境類作為頂層的對(duì)象[8]。

　　這種層次化的組織架構(gòu)為用戶提供了一個(gè)開發(fā)直接測(cè)試、隨機(jī)測(cè)試案例的可編程方法，有利于在整個(gè)測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)上開發(fā)測(cè)試案例，實(shí)現(xiàn)測(cè)試平臺(tái)最大的可重用。

　　1.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

　　在采用SystemVerilog語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)ARINC429收發(fā)器IP核的可重用驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)，使用了以下關(guān)鍵技術(shù)：

　　(1)接口及虛接口

　　接口(Interface)簡(jiǎn)化了對(duì)端口信號(hào)的處理，封裝了測(cè)試平臺(tái)各組件間通信所需的信號(hào)，提高了設(shè)計(jì)可重用性。

　　在本驗(yàn)證實(shí)例的驅(qū)動(dòng)類(Driver)中使用了虛接口，虛接口類型定義代碼如下：

　　Typedef virtual if_arinc429.OUTP vif_429rx;

　　Typedef virtual if_arinc429.INP vif_429tx;

　　通過(guò)使用虛接口，不必對(duì)每個(gè)通道都編寫一個(gè)Driver，而只需編寫一個(gè)驅(qū)動(dòng)類再將其例化多次即可，這極大地簡(jiǎn)化了工作，提高了驗(yàn)證組件的可重用性。

　　(2)回調(diào)

　　本測(cè)試平臺(tái)運(yùn)用了回調(diào)技術(shù)[9]，回調(diào)流程如圖4所示。

　　驗(yàn)證實(shí)例在Driver類中運(yùn)用前回調(diào)技術(shù)[9]來(lái)為待測(cè)設(shè)計(jì)ARINC429收發(fā)器IP核注入故障(100個(gè)數(shù)據(jù)隨意丟棄1個(gè))，實(shí)現(xiàn)ARINC429接收錯(cuò)誤的定向測(cè)試，不修改其他測(cè)試代碼，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試平臺(tái)的最大可重用。

2 測(cè)試運(yùn)行及結(jié)果

　　2.1 測(cè)試運(yùn)行

　　整個(gè)設(shè)計(jì)的測(cè)試激勵(lì)主要由兩部分組成：由計(jì)算機(jī)通過(guò)串口發(fā)出的數(shù)據(jù)，以及向ARINC429 接收通道發(fā)送的數(shù)據(jù)。兩部分激勵(lì)是并行的，所以整個(gè)驗(yàn)證計(jì)劃也是并行的。先進(jìn)行定向測(cè)試，以保證驗(yàn)證過(guò)程具有一定的可復(fù)現(xiàn)性；然后進(jìn)行隨機(jī)測(cè)試，對(duì)待設(shè)計(jì)進(jìn)行充分驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)需求的深入分析后，得到如圖5所示的驗(yàn)證計(jì)劃。

　　使用Mentor Graphics的QuestaSim10.0c對(duì)ARINC429收發(fā)器IP核進(jìn)行仿真測(cè)試。根據(jù)驗(yàn)證計(jì)劃，編寫了10個(gè)測(cè)試案例：(1)通道速率為高速的直接測(cè)試；(2)通道速率為低速的直接測(cè)試；(3)發(fā)送循環(huán)數(shù)據(jù)的直接測(cè)試；(4)發(fā)送立即數(shù)據(jù)的直接測(cè)試；(5)發(fā)送速率錯(cuò)誤直接測(cè)試；(6)接收校驗(yàn)位錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)直接測(cè)試；(7)接收速率錯(cuò)誤的直接測(cè)試，(8)最大速率下的流量測(cè)試；(9)發(fā)送隨機(jī)測(cè)試；(10)接收隨機(jī)測(cè)試。當(dāng)測(cè)試不同的測(cè)試案例時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的腳本，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。

　　2.2 測(cè)試結(jié)果

　　按照驗(yàn)證計(jì)劃，先進(jìn)行定向測(cè)試，在測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行了8個(gè)直接測(cè)試案例，然后進(jìn)行隨機(jī)測(cè)試，在可重用測(cè)試平臺(tái)上運(yùn)行了2個(gè)隨機(jī)測(cè)試案例。隨機(jī)測(cè)試中ARINC429接收隨機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

　　圖6(a)為測(cè)試仿真波形圖，圖中三角形指示斷言失敗，因?yàn)檫@次接收隨機(jī)測(cè)試中，發(fā)生器生成了校驗(yàn)位錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，在ARINC429接收模塊中該數(shù)據(jù)字被舍棄，斷言檢查器檢測(cè)到兩路輸入數(shù)據(jù)不一致，即斷言失敗。這證明ARINC429收發(fā)器能按照設(shè)計(jì)要求舍棄錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，正確處理數(shù)據(jù)。圖6(b)為代碼覆蓋率報(bào)告，rec429模塊與afifo模塊因?yàn)橥陚錉顟B(tài)機(jī)下的default語(yǔ)句無(wú)法覆蓋，故代碼覆蓋率沒(méi)有達(dá)到100%，其他模塊代碼覆蓋率均達(dá)到100%，功能覆蓋率達(dá)到100%，符合測(cè)試要求。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明了在完成定向測(cè)試后，在該測(cè)試平臺(tái)上能正常運(yùn)行隨機(jī)測(cè)試，完全實(shí)現(xiàn)了測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證組件、驗(yàn)證環(huán)境的可重用。

　　為了提高驗(yàn)證效率，本測(cè)試平臺(tái)還運(yùn)用約束隨機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試集，采用SVA斷言實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤的查找與快速定位，結(jié)合覆蓋率驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證明確驗(yàn)證指標(biāo)。10個(gè)測(cè)試案例的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明本測(cè)試平臺(tái)完成了對(duì)ARINC429收發(fā)器IP核功能的高效驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文以對(duì)ARINC429收發(fā)器IP核的驗(yàn)證為例，介紹了基于SystemVerilog的可重用測(cè)試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。在簡(jiǎn)要介紹ARINC429收發(fā)器的功能與設(shè)計(jì)之后，詳細(xì)介紹了采用 SystemVerilog 實(shí)現(xiàn)收發(fā)器IP核的可重用測(cè)試平臺(tái)的層次化結(jié)構(gòu)、工程組織架構(gòu)以及技術(shù)方法；然后在驗(yàn)證計(jì)劃的指導(dǎo)下，在該測(cè)試平臺(tái)上運(yùn)行定向測(cè)試和隨機(jī)測(cè)試共10個(gè)測(cè)試案例，代碼覆蓋率與功能覆蓋率均達(dá)到100%。結(jié)合斷言、覆蓋率驅(qū)動(dòng)驗(yàn)證等技術(shù)完成了對(duì)ARINC429收發(fā)器IP核高效的、有效的功能驗(yàn)證。

　　在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，本測(cè)試平臺(tái)不僅完成了對(duì)ARINC429收發(fā)器的功能驗(yàn)證，在修改少許代碼后，還完成了對(duì)協(xié)議相似的ARINC629總線的驗(yàn)證。實(shí)踐表明，本測(cè)試平臺(tái)具有良好的可重用性。

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