原创 SystemVerilog已在验证领域立稳脚跟

简单明了的Verilog硬件描述语言是一种纯粹的为IC设计人员开发的语言，它包含用于生成一个综合到门级所需IC网表的所有构件。但是对今天极度复杂的IC设计而言，它已无法满足验证领域的需求。
几年前，Accellera的SystemVerilog工作组开始寻求在Verilog基础之上创建一种新的设计语言，并通过增加一系列丰富的验证性能对其进行扩展。这种努力在去年12月结出硕果，IEEE批准了SystemVerilog P1800标准。

现在，SystemVerilog已是一个实实在在的IEEE标准，那么，谁在使用它进行IC验证呢？他们又正在如何使用它？为什么需要用它来进行验证？使用SystemVerilog进行验证有多困难或多容易？它又采用了怎样的基础架构以使得它对设计人员有用？

多种便利性融合在一起

将Verilog扩展到现在的IEEE-P1800 SystemVerilog，是出于创建一种真正把设计和验证能力统一起来的设计语言的需要。为此，Accellera的SystemVerilog工作组接受了来自好几家公司的技术捐赠，并将它们添加到已有的Verilog语言中作为扩展。

图1：SystemVerilog是全球增长最快的设计/验证语言，与Synopsys在2005年的SNUG会议上的一项调查结果相符。

的确，设计师们已经接受了SystemVerilog，因为它是到目前为止增长最快的设计/验证语言(图1)。“SystemVerilog显著提高了发表声明的能力，因此你当然可以说，作为一种验证语言，它正获得越来越多的应用。”Gartner Dataquest公司的首席EDA分析师Gary Smith说。

SystemVerilog结合了大量验证的概念，主要包括设计、声明和建立测试基准领域，以前都是独立地对它们进行描述，并且有时候采用专门的语言。尽管采用Verilog时也使用了这些能力，但通常需要采用独立的工具，这些工具必须通过编程语言接口(PLI)和应用编程接口(API)与仿真器一起使用。结果并不合乎要求，而且不能获得足够的性能。

可以将SystemVerilog分为四个关键部分进行分块讨论：设计、声明、测试基准能力和验证范围分析。SystemVerilog丰富的验证能力蕴含了许多成功的验证技术。将它们合起来有望实现一次流片成功(图2)。

SystemVerilog的一个很不错的优点就是，其验证能力可以逐步地得到发挥。设计人员没必要为了利用SystemVerilog所给定的许多特性而一次性地将整个语言都消化吸收。实际上，用户只需要简单地将SystemVerilog的构件添加到他们现有的RTL环境中即可。

“只需通过增加断言或者说学习一个额外的构件，普通的Verilog用户就变成了SystemVerilog用户。”Magma设计自动化公司产品营销主管Yatin Trivedi说。

这样，对于不同的设计团队来说，采用SystemVerilog的进度似乎也有所不同。一部分团队正在先于其他团队对该语言的某些特征进行研究，这很大程度上取决于对已建立的验证方法造成破坏的风险有多大。

 


图2：通过SystemVerilog可以实现几个成功的验证策略，如断言、受限随机测试以及代码覆盖。不过，要注意的是这几种技术的一次流片成功率都低于45%。

SystemVerilog特性之一：声明

“我们认为SystemVerilog市场主要分两块，”Cadence的验证部门营销副总裁Steve Glaser表示，“一个是独立的设计团队，主要对自己的RTL验证负责。这些团队一般没有专门的验证专家，要求采用低风险的验证方法。”

Glaser指出，另一种是大型的、多专家“企业”团队，他们拥有专门的工程专家，这种团队对改变他们已有的验证方法表现得非常谨慎。

最流行的并且最容易被人接受的SystemVerilog特性之一是，它的声明能力。在RTL中使用声明是利用SystemVerilog加强验证的一种快捷且相对简便的方式。

使用SystemVerilog声明子集对用户的验证方法基本上是非破坏性的，声明可以大量散布在设计的RTL中。当在模拟器上运行RTL且一个声明被“点亮”时，这就意味着理论上应该发生某个声明行为而实际没有发生，这样错误就被标记出来。

对于想要使用SystemVerilog声明的用户来说可能存在哪些障碍呢？只有一个，那就是基于声明的验证方法确实需要一些培训。Glaser称，部分用户在为正确地使用声明而努力。

该如何写声明呢？应该使用哪些构件呢？需要写多少声明？如何对声明本身进行除错呢？以及该如何利用它们来提供最佳的功能覆盖呢？

虽然存在这些问题，但部分设计师还是喜欢声明，因为他们要求先期投资不太高。例如，意法半导体(ST)的许多设计团队都是声明爱好者。不过，ST功能验证组经理Mike Benjamin非常希望Accellera在P1800标准中包含特征规范语言(PSL)声明，而不是SystemVerilog声明(SVA)子集，这是因为ST的验证团队已经广泛应用了PSL。PSL是市场上几种独立的声明语言之一。

“在一定程度上，声明语言不与SystemVerilog捆绑是一件好事。”Benjamin说。然而，他希望所有的仿真器都可以支持PSL和SVA声明。采用声明的一个重要方面和设计人员可能要问的一个问题是，在RTL中使用声明到底对下游设计流程有什么好处。

“传统Verilog用户只是进行简单的面向综合的RTL编码，”Magma的Trivedi说，“他们很少或者没有向验证工程师提供指导。”

未面向验证的RTL设计可能会迫使验证工程师盲目地进行设计除错。所以，他们必须检查设计，以除去比需要的要多许多的错误。但是将声明插入到设计中后，验证团队就可以获得一些非常必要的指导，知道应该寻找什么样的错误。

“SystemVerilog声明可以极大地提高验证工程师的生产率。”Trivedi说。它们用来将验证工程师指引向设计工程师所担心的设计部分。

“借助声明，你可以很快发现很多问题。”Moxon设计公司的创始人Tom Moxon说，这是一家位于俄勒冈州比弗顿的设计咨询公司。Moxon指出，针对ARM的AMBA、PCI总线以及开放内核协议(OCP)等大部分标准接口的一整套声明已经写完并已完成除错。“当你购买Cadence的Incisive验证平台，或者Synopsys的VCS仿真器时，这些验证程序都有声明。”Moxon说，“同样，明导公司(Mentor Graphics)正在开始将0-In.验证程序并入到其Questa仿真器中。”


图3：传输级模型通常用作硬件模块的参考模型，特别对于软件设计人员来说。如今的仿真环境可以利用SystemVerilog的DPI，它可以直接从Verilog调用SystemC或C/C++程序。

达到测试基准

对于拥有许多内部验证专家的大型设计团队，例如那些企业级团队，他们采用SystemVerilog的比例与小型团队不同。首先从测试基准方面可以看出这一点，较大的团队一般开发较大的SoC，往往比小型团队经历更多的失败。

反之，小型的独立设计团队相对来说敢于冒险使用断言，他们很想逐步地将测试基准扩展到SystemVerilog。在他们小心地从直接测试(以声明的形式)转向使用自动测试基准方法时，他们可能需要得到方法指导。

同时，多专家团队内的验证工程师往往害怕使用面向目标的编程技术，因此这种团队面临着一些难题。他们可能对SystemVerilog有效的覆盖驱动、约束、直接随机验证能力更感兴趣。但是，断然采用直接随机测试意味着将面临更多的风险。

“这些大型团队通常是一个企业级实现协会的一部分。”Magma的Yatin Trivedi说，“他们需要这种主动精神。问题是对于大型公司而言，一旦你开始按那个方向前进了，如果它不能完成，也很难再走回头路。”

在一定程度上，SystemVerilog在测试基准自动化领域的出现代表了融合的趋势。

“这种技术出现的时候，市场上基本都是专有的解决方案，包括不同风格的声明语言和自动测试基准。”ARM公司设计技术主管John Goodenough说，“我们看到的是一个细分的市场，因此我们认为SystemVerilog是一种推动收敛的方法。”

SystemVerilog测试基准能力所遇到的障碍与声明的不同。“最大的问题是人们如何处理遗留代码。”明导公司副总裁兼设计验证和测试部门总经理Robert Hum说。

许多设计团队已经开始使用其它的测试基准语言，例如SystemC、Cadence(先前的Verisity)e语言或者Synopsys的Vera。“所以在测试基准方面，SystemVerilog将随着人们利用它开发新的项目而向前发展。不过，由于遗留代码问题，这种发展将是一个缓慢的过程，而不是阶跃式的。”Hum说。

在意法半导体，不同种类的设计和验证环境占据着主要地位，在设计领域Verilog和VHDL正逐步让位于SystemVerilog。Mike Benjamin表示，意法半导体很早就已经将Verisity/Cadence Specman工具用于进行测试基准自动化。尽管如此，目前该公司在开始考虑将SystemVerilog作为一种测试基准语言。

“我相信SystemVerilog将终结Specman，并且可以做得一样好或更好。”Benjamin说，“它们二者具有可比性。但是在意法半导体我们有许多使用Specman e代码的遗留的验证IP，并且我们不能立即将其转换到SystemVerilog。我们也正在使用SystemC在一个非常抽象的层次进行建模，所以我们期待混合的环境。”

明导公司的Robert Hum表示，对Accellera而言Specman e语言以OpenVera形式包含在SystemVerilog中，这是比较相似的。它们的相似之处在于直接随机测试能力。“了解如何进行直接随机测试的人们都会发现转到SystemVerilog相当容易，”Hum说，“只要你理解了直接随机测试，你所需要做的就是转换语法。”

由于包含了OpenVera构件，SystemVerilog具有全部面向对象的编程能力，以及全部的功能覆盖。“SystemVerilog的面向对象的能力有助于实现干净的测试基准。”Benjamin说。不过，他指出，SystemVerilog面向特征的能力较弱，而这恰好是Specman e语言的一个强项。“验证工程师喜欢在一种面向特征的方式下工作，因此存在一些冲突，二者都没有明显胜出。”他说。 
图4：Mentor Graphics的AVM 当在Questa 6.2版验证环境中执行时，允许整个测试基准与DUT通过一个抽象转换层进行连接。

在建立测试基准方面，SystemVerilog还有一个不可小视的竞争对手——SystemC。“随着设计人员向电子系统级(ESL)设计转移，我相信将会在ESL层面创建测试基准。”Gartner Dataquest公司的Gary Smith说，“那意味着SystemC或者e将是优先选用的语言。”

设计顾问Tom Moxon同意Smith的观点。但是Moxon解释说：“先有测试工具，后有测试基准。对于系统级的方法而言，我认为SystemC占主导地位，因为你要考虑硬件/软件接口和事务级模型(TLM)。但是对于时序和芯片级交互，你处在较低层次的环境中，不需要将所有模型都投入使用，这时，SystemVerilog具有更多优势。”

SystemVerilog内建的直接编程接口(DPI)让用户直接调用软件人员开发的C语言模型或算法。“该特性将促成大量代码复用。”Moxon说。DPI也同样允许C语言函数调用SystemVerilog任务或函数，这进一步促进了硬件/软件协同验证(图3)。

对于那些希望最大地受惠于SystemVerilog的验证人员，特别是在测试基准的建立这个环节，学习曲线是非常陡峭的。为方便SystemVerilog的使用，EDA供应商提供了大量的方法学指南。

最早的验证方法指南(VMM)来自Synopsys和ARM，明导公司拥有先进验证方法(AVM)，而Cadence提供的是统一验证方法(UVM)。

所有这些指南都有一个共同的目的：向先进验证方法的使用者提供帮助。它们都以“食谱”形式提供结构化的方法，使得用户可以组合出一个解决方案。

但是据用户称，并不是所有的指南都一样。“Synopsys/ARM VMM很好地将建立完善的测试基准所要求的知识结合在一起，”Benjamin说，“但是，在你能写出一个真正优秀的测试基准之前，你起码要阅读500页的指南。”

对Benjamin而言，明导公司的AVM在方法学上起的重要作用少一些。AVM具有面向对象的代码风格，它因包含了用SystemC和SystemVerilog编写的基础类库、实用程序以及实现案例的源代码而著名。AVM代码和文档在Apache 2.0开发源代码授权下是免费的。

当然，手册(和语言)并不单独产生方法学。为了使它们对设计人员有用，验证环境必须支持SystemVerilog。

Cadence、 Mentor和Synopsys均提供非常广泛的SystemVerilog支持。Cadence的Incisive验证平台通过其称作“Plan To Closure(从规划到实现)”的方法学来得到增强，并被基于互联网的支持系统所支持。

Mentor的6.2版Questa功能验证平台支持所有AVM关键组件，包括SystemVerilog和SystemC的面向对象和受限随机能力、Open SystemC Initiative的TLM标准功能，以及SystemVerilog和PSL的功能覆盖能力。

Questa支持AVM的分层模块化结构，这种结构有利于用户快速将组件构建成可复用的测试基准(图4)。该结构的所有智能蕴含在一个测试控制器中，这个控制器直接与测试激励、一个覆盖引擎以及一个提供覆盖功能的记分板连接。通常，RTL中的待测器件(DUT)通过一个抽象变换层与测试基准连接。

“另一种说法是TLM，”明导公司的Robert Hum说，“在DUT的边缘，如果你愿意，你可以得到1和0，或管脚摆动。在转换层的另一端，你可以有任意的抽象层。”

因此，软件工程师可以见到程序调用和其它非时序的视图，而硬件设计师可以看到具有所需时序信息的更低级别的抽象层。测试激励从未直接发送到DUT，而是通过变换层，这没有增加仿真的开销。Hum宣称：“我们发现测试基准运行得更快了，是因为这种方法净化了测试基准代码。”

Questa 6.2在第二季度发货。起始价格是28,000美元。

Synopsys声称对SystemVerilog提供完整的设计和验证支持，这种支持的至关重要的一部分是最近公布的SystemVerilog验证IP库。Synopsys增强了VCS仿真器，以支持使用IEEE-P1800 SystemVerilog创建测试基准。

“在SystemVerilog环境中使用现有的验证IP器件时，最大的优势之一是可以在受限随机激励方法中操作，并且也具备功能覆盖，”Synopsys公司的Steve Smith说，“这需要对支持验证IP的VCS仿真器进行增强。”

由于VCS和验证IP的改进，那些使用SystemVerilog建立测试基准的设计人员将可以使用Synopsys的一系列DesignWare验证IP。目前的DesignWare客户可以在不增加成本的情况下，通过从Synopsys公司网站申请SystemVerilog版本来获得其IP的SystemVerilog功能性。