验证技术的发展
在目前的集成电路设计中，芯片的规模和复杂程度正呈指数增加，为保证所设计芯片功能的正确性，需要花费比以往更多的时间和人力，困难度大幅增加。而且，目前的功能验证能力已经远远落后于设计能力，功能验证正成为大规模芯片设计的瓶颈。
设计人员通常需要花费50%~70%的时间去验证他们的设计。虽然有形式验证等多种验证方法可供选择，但是设计者还是偏好基于仿真的验证，本文中的验证主要是指仿真。为了降低验证的工作量和提高验证的效率，越来越多的设计人员采用高级验证语言(HLV)来进行芯片验证。
图1 验证自动化系统
验证技术的发展主要经历了以下几个阶段：
1． 基于HDL语言的验证
用HDL语言来建立测试平台和编写测试向量，将激励输入给设计，然后检查设计的输出。这种方法的缺点是测试平台和测试向量的建
2． 面向对象的验证
由于采用HDL语言进行验证的局限性，设计人员可以使用面向对象的高级语言(如C++、Python)来建立验证环境和编写激励。这种验证方法可以使设计人员从比较抽象的设计高层，对设计的输入和输出进行建模，然后通过验证环境与仿真器的通信接口，将抽象的数据模型转换成比特形式的数据。这种验证方法大大降低了编写激励的工作量，但是验证环境的建立相对复杂，比如验证环境与仿真器的通信接口等。
3． 随机产生激励
由于测试激励编写的工作量非常大，所以设计人员逐步采用随机产生测试向量的方法，以减轻编写激励的工作量，并提高验证的覆盖率。但是它的缺点在于，由于激励是随机产生的，所以给验证结果的检查带来了一定难度，并且设计者不能根据要验证的设计属性来产生所需的激励，即不能根据约束来产生激励。
4． 验证平台工具
由于验证环境的建立过于复杂，因此出现了验证平台工具，通过这种工具可以大大减少建立验证环境的工作量。但是这类验证工具不能使验证人员通过设计的抽象层来编写激励，而且不能实现设计时序行为的检查。
图2 Specman 与仿真器的交互
验证自动化系统
由于上述验证方法都或多或少具有局限性，所以需要一种完善的验证系统。根据上节所述，一种完善的验证自动化系统需要具备以下几个功能：首先它能够定义验证计划；然后能够提供接口，用高级语言从抽象的层次产生基于约束的激励；并且能方便高效地建立验证环境；最后能够完成设计时序行为的验证和基于断言的功能覆盖率的验证。
e语言是一种功能强大的验证语言，它可以很好地实现一个验证自动化系统，如图1所示。在这个验证系统中，首先可以根据验证者的需要，用e语言来制定一些约束，根据这些约束来产生验证需要的激励。由于e可以很好地与Verilog和VHDL仿真器通信，因此可以将这些用e语言抽象描述的数据转换成比特形式，然后加载给设计；再通过和仿真器的通信，对系统进行功能仿真，并将设计的输出收集起来，这时可以将比特形式的数据转换回e语言的抽象描述，以便于对设计行为与预期结果进行检查。
除此之外，e语言还可以实现设计时序行为的检查。如果一个中断必须在请求后的5个周期后发出，可以通过e语言来描述这个设计属性，通过仿真来检查其是否满足。最后，e语言还可以用来进行基于断言的功能覆盖率验证。
图3 基于e语言的验证环境
基于e语言的验证环境与仿真器的交互
在具体介绍基于e语言的验证环境之前，先介绍一下基于e语言的验证环境与仿真器的通信机理。目前，Cadence公司的工具Specman Elite支持用e语言来建立验证自动化系统，Specman Elite提供可配置、可再使用和可扩展的验证组件，这些组件被称为eVC。eVC采用高级验证语言e编写，能够产生足够多的测试激励讯号，并能对设计行为与预期结果进行检查确认。eVC可以极大地缩短验证时间，提高
产品品质。所以本文将以Specman为例来介绍基于e语言的验证环境与仿真器是如何协同工作的。 Specman和仿真器在仿真的过程中是两个独立并行的进程，它们通过通信接口(stubs文件)来进行通信，其结构如图2所示。
仿真环境包含以下各组成部分：
Specman：整个验证环境是用e语言实现的，其中包括约束、激励产生、驱动、检查、覆盖率等，所有的e文件都由Specman编译和仿真。
仿真器：Verilog或VHDL仿真器，它通过stubs文件与Specman进行通信。
外界库：仿真用到的一些模型可能是基于C语言的，e语言可以很好地导入这些模型来进行仿真。
设计：基于Verilog或VHDL的设计。
仿真文件：在仿真中可能用到的一些外部模型，如总线功能模型等。
顶层：包括设计和各种模型的例化和一些驱动输入或收集输出的寄存器。
Stubs文件：Specman读入所有的e文件，然后用一个命令来生成所需要的Stubs文件，这个文件在仿真过程中是由仿真器编译和仿真的。
基于e语言的验证环境
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图4 e语言验证环境的划分
其中数据对象代表固定格式的测试向量，如数据包、视频中的一帧数据，或CPU的一种指令。激励产生会对数据对象添加一定的约束，随机产生基于约束的激励。输入驱动中包括一个输入程序，负责将数据输入给设计，根据设计的不同，有可能对设计进行重复多次的输入。输出采集中包括一个采集设计输出的程序，并将采集到的数据转换成数据对象定义的形式，然后送到数据检查模块进行检查。数据检查部分产生所需要的数据和存储收集到的数据的程序，并完成数据检查。协议检查通过定义一些时序上的断言来监控设计的协议，如果违反了协议将产生警告或错误提示。覆盖率分析会分析设计中的断言，给出设计的功能覆盖率报告。
Specman提供约束解释器和通信信道来进行e语言的仿真，界面对象(interface object)负责将数据对象驱动给设计的界面，系统对象(system object)包括各种不同的界面对象。界面对象和系统对象根据每个设计来编写，如对CPU进行验证时，根据设计
定义输入给CPU的数据对象(指令格式等)，因此验证环境不需要随着设计的改变而改变，所以一个设计的环境是可以重用的。
不同的测试激励通过约束数据对象、界面对象、系统对象来产生。验证环境的划分框图如图4所示。
图5 e语言验证环境的层次结构
基于e语言的验证环境的文件层次结构如图5所示，其最顶层文件名字固定为sys，在sys下例化所有的模块。
结语
本文介绍了目前国外各大芯片设计公司所采用的最新的验证技术——基于e语言的自动验证系统。采用e语言建立验证环境、编写测试激励，可大大降低芯片验证人员的工作量，提高验证效率。■
参考文献：
1． Samir Palnitkar. Design Verification With e .Prentice Hall PTR,September 25,2003.
2． E Language Reference Manual. Verisity Design,Inc.
3． Specman Elite Usage Guide. Verisity Design,Inc.
