基于精简指令集的内核验证参考模型设计

王镇道，姚小姣

（湖南大学物理与微电子科学学院，湖南长沙 410082）

随着半导体工艺不断突破新的极限，数字电路集成度和复杂度陡增，如何提升设计效率、缩短芯片设计周期、提高设计可靠性是IC 设计急需解决的问题［1-2］.功能验证能够在IC设计RTL阶段发现设计缺陷，是在芯片硅前流程提高设计质量的最有效方式.在复杂的IC 设计中，设计开发时间的70%用于验证［3］，提高验证效率和完备性对降低设计成本、缩短设计周期十分重要［4］.微处理器可以说是数字芯片的“头脑”，其性能和设计质量的好坏直接决定整个芯片的质量［5-6］，而功能验证是微处理器设计验证的重中之重［7］，如何优化微处理器的功能验证具有重要的现实意义.

模拟仿真方法是当前微处理器功能验证的主要方法［8］，包括功能覆盖率驱动的基于UVM 的RTL 验证［9］和FPGA硬件原型验证［10］等.为提高微处理器验证的效率和可靠性，研究者们提出了很多方案，如RTL 动态仿真与FPGA 硬件仿真相结合［11］、分阶段引入处理器局部建模［8］等.文献［9］采用功能覆盖率为导向的UVM 验证方法对DUT 进行验证，实现了内核验证所需的功能覆盖范围且验证平台可重用性好，但仿真速度存在局限性；文献［8］为提高验证收敛速度，在文献［9］方法的基础上对微处理器局部建模，在验证后期利用局部模型指导测试激励的生成，可快速完成对未覆盖功能点的验证，一定程度上加快了验证收敛，但平台的可重用性有所下降；文献［10］在FPGA上对微处理器进行硬件原型验证，仿真速度比文献［9］快且验证平台的搭建简单，但测试用例的随机性差、平台的可重用性差；文献［11］中RTL动态仿真与FPGA 硬件仿真相结合的验证方式保证了验证平台的可重用性且极大地提升了验证收敛速度，但FPGA 验证的可调试性差，对微处理器指令集的随机验证不够充分.综上，微处理器验证可以采取动态仿真与FPGA硬件验证相结合的方式，但需要对指令序列随机性做改进.

本文设计了一种适用于8bit RISC架构内核的验证参考模型，模拟内核指令集系统结构来满足指令的完全随机组合，同时实现内核存储空间的可参数化配置来提高可重用性.所设计参考模型集成到文献［11］所提方法的UVM 平台中，应用到一款8 位MCU的内核验证中，很好地保证了指令序列随机性，所有测试用例均仿真通过，代码和功能覆盖率均达100%.

1 内核架构原理

精简指令集计算机（RISC）不同于复杂指令集计算机（CISC），其指令长度固定、指令数目精简.基于RISC 架构的计算机结构更简化合理，且开发者可根据需求对指令集进行扩展［12］.RISC-V 是基于RISC原理建立的开源指令集架构，其架构简洁、指令集模块化且可扩展，是最具革命意义的开发处理器架构.RISC-V 指令集大部分指令执行只需一个周期，配合流水线结构的实现使得内核程序执行速度更快［13-14］.可由下面公式推导而得：

其中，P为执行一段程序所需的总时间；I是这段程序所包含的总指令条数；CPI是每条指令执行所需的时钟周期数的平均值；T是内核参考时钟的周期.同一段程序，虽然RISC 比CISC 的总指令条数多，但CISC的CPI会比RISC大很多，且RISC的时钟周期比CISC小，所以程序总的执行时间RISC 更短.且RISC-V 架构对中断的响应速度更快.

所研究内核是基于RISC-V 架构的8 位MCU，综合考虑芯片性能、成本及实际应用需求，其指令集在RISC-V 指令集基础上进行了简化和删减，修改后的指令集仅有44 条基础指令和6 条扩展指令，大大简化了内核结构.图1所示为内核结构原理图.

图1 内核结构原理图Fig.1 Schematic diagram of the core′s structure

该内核有直接寻址和寄存器间接寻址两种访存方式，直接寻址即通过指令译码出的数据存储器地址进行读写操作，由于指令编码中数据存储器地址是9bits，所以寻址空间为512Byte，超出此范围的地址需通过切换PAGE 进行访存.寄存器间接寻址是通过内核特殊寄存器IND/FSR 对数据存储器间接访存，具体方式如图2所示.

图2 间接地址访问Fig.2 Indirect address access

由图2 可知，内核从间接地址寄存器（IND）读数据，实际上是以FSR 中的值为地址去读数据存储器；向IND 写数据实际上是以FSR 中的值为地址将数据写入数据存储器相应地址.

2 验证参考模型设计

所设计参考模型的指令集是基于RISC-V 构架基本指令集修改并扩展的，包括44 条基本指令和6条扩展指令，指令长度均为16bits，按操作分为位操作类、立即数操作类、字节操作类、跳转类和控制类五大类.表1给出了各类指令的编码方式.

表1 各类指令编码方式Tab.1 Various instruction encoding methods

为寻址方便，所研究内核设置了特殊功能寄存器，包括间接寻址寄存器（IND）、寄存器选择寄存器（FSR）、状态寄存器（STATUS）、工作寄存器（WORK）、全局中断使能寄存器（INTE）、PAGE 选择寄存器（BSR）和PC 加载寄存器（PCLOADL/PCLOADH）.

2.1 内核指令集的建模

图3 为本文所设计的8 位内核验证参考模型的结构框图，为简化只给出主要组成部分和数据流通路.参考模型有四个主要的组件：程序存储器（flash_array）、数据存储器（sram_array）、指令译码器（core_decoder）和运算单元（core_alu），外部激励给到程序存储器，经过参考模型执行处理后改变相应地址的数据存储器数据并发送transaction（flash_tr/sram_tr）给UVM 验证平台的计分板，作为DUT 响应数据的期望值［15］，实现原理后续展开讨论.

图3 验证参考模型结构图Fig.3 Verification reference model structure

参考模型设计依据是内核指令集和指令执行流程即取指—译码—读取—执行/写回和，整个内部实现是按指令执行四个步骤来设计的.基于System Verilog 语言，整个参考模型定义成一个派生自UVM基本类uvm_component 的类.在设计实现前，首先对PC 位宽、堆栈级数、堆栈起始地址等参数宏定义，并自定义了一个包含指令集所有指令的枚举类型供后续类的定义使用.

参考模型的类首先对变量进行定义，包括内核特殊寄存器、transactions、程序和数据存储器、PC 堆栈和数据堆栈以及一些中间变量；接着声明、定义类的函数，主要是图3 中参考模型组件对应的函数：取指、译码、读取、指令执行、写回函数.基于处理器结构原理，取指函数根据当前pc 值从程序存储器取指存入IR 寄存器，为配合跳转指令和长搬移指令执行还会预取指pc+1和pc+2；译码函数依据IR寄存器的数据，对照指令集编码将16 位指令码译成具体指令确定后续执行内容；读取函数根据译码所得ram_addr 访问数据空间获取指令操作数；指令执行函数根据译码结果执行操作或运算，并将要写回数据空间的数据加以缓存；写回函数依据具体指令是否需要写回，将指令执行后所得数据写回相应地址.

参考模型模拟内核行为的整个过程是在main_phase函数中实现的，main_phase函数分别调用前述函数，模拟内核程序执行过程，并参照实际内核行为对异常情况加以处理，主要有非法指令复位和中断响应.

通过对内核指令集建模，参考模型实现了对内核指令集系统的模拟，可对内核指令集功能点黑盒验证，能够解决以往验证方法指令序列随机性差的问题，且结合perl 脚本工具的使用，可自动化生成指令随机序列，减少了繁琐编写测试用例的工作量.

2.2 存储指标可参数化配置的实现

为提高可复用性，参考模型对内核存储空间及堆栈级数等关键指标进行了可参数化配置设计.验证人员只需根据实际存储空间设置参考模型的相应参数，即可对目标类芯片不同存储配置进行验证.

利用UVM 的cofig_db 机制，在UVM 验证平台顶层top_tb 中执行set 操作，根据内核存储指标配置相应参数的值；在验证参考模型中执行get 操作，获取相应参数值，从而实现不修改参考模型即可满足不同存储空间的内核的验证.

验证参考模型中的代码实现如下所示：

3 基于验证参考模型的内核模块级验证及结果

本文设计的内核验证参考模型已成功应用于一款基于RISC-V 架构的8 位MCU 芯片的内核模块级验证中，该内核指令集包括44 条基础指令和6 条扩展指令，仿真验证是在Linux平台上用System Verilog语言搭建的UVM 验证平台上进行，所用仿真工具是synopsys 公司的VCS，仿真波形和覆盖率的查看使用synopsys 公司的Verdi，UVM 验证平台框图如图4 所示［16］.验证结果表明集成了本文所设计的内核验证参考模型的UVM 仿真验证平台能够满足对8位内核的模块级验证需求，结合受约束随机激励生成技术对内核指令序列进行了完全随机组合验证.

图4 内核模块级验证平台框图Fig.4 Block diagram of core′s module-level verification platform

图5 为内核模块验证指令集随机测试用例的仿真波形图.

图5 随机用例仿真波形图Fig.5 Random testcase′s simulation waveform

图6 为内核模块验证用例回归后所收集到的加过滤文件的代码覆盖率，过滤部分均为与设计人员确认无法覆盖的，由图可知各项代码覆盖率均达100%，实现了内核验证所需的功能覆盖范围.

图6 内核模块代码覆盖率Fig.6 Code coverage of core module

图7 为内核模块验证的功能覆盖率，均达到100%.

图7 内核模块功能覆盖率Fig.7 Function coverage of core module

图8 为本文所用验证方法和文献［9］的功能覆盖率为导向的验证方法分别对目标内核进行验证的缺陷收敛图示.

图8 缺陷收敛图示Fig.8 Defect convergence diagram

由图8 可看到，随着验证工作的推进，内核模块的缺陷数量均呈现收敛状态，但本文曲线相比文献［9］的而言变化更平缓、收敛速度更快，且验证周期缩短了10%，说明集成了本文所设计参考模型的UVM 验证平台具有更好的鲁棒性，且验证效率和完备性更好.

表2 给出了基于本文验证参考模型和部分文献的方法，对同一DUT 进行验证的性能对比结果，可以看出本文的验证方法仿真速度较快、激励随机性好、测试用例编写简单，且验证平台具有很好的可重用性.

表2 验证性能对比Tab.2 Verification performance comparison

图9 为集成有本文验证内核的电源充电管理芯片的版图，采用华宏0.11 μm 工艺进行流片，芯片总面积为3.4 mm2，系统时钟频率为24 MHz，流片测试结果表明，内核模块设计符合设计文档要求.

图9 芯片版图Fig.9 Layout of the chip

4 结论

本文设计了一种适用于8位RISC架构内核验证的参考模型.对内核指令集验证建模提高了激励的可随机化程度，同时实现了内核存储指标的可参数化设置，使得参考模型可直接用于扩展或继承类芯片的内核验证.将验证参考模型应用到一款8位4级流水线的MCU 芯片内核验证中，验证结果良好，最后所验证内核采用华宏0.11um 工艺成功流片，证明了参考模型对内核验证的有效性.