基于VMM验证方法学的MCU验证环境

　　1 简介

　　随着设计的复杂程度不断增加，要求把更多的资源放到验证上，不但要求验证能够覆盖所有的功能，还希望能够给出大量的异常情况来检查DUT对应异常的处理状态，这在传统测试方法下往往是难以实现的。此外，设计不断地重用，而验证也希望能够重用一样的验证模块，这就催生了层次化的验证方法。Synopsys的 VMM验证方法学提供了基于SystemVerilog的验证方法，包括了有约束的随机数生成，层次化的验证结构，以及以功能覆盖率为指标的验证流程。在本文中，围绕Synopsys的VMM（Verification Methodology Manual）构建了一个MCU验证环境。

　　2 DUT

　　在这个环境中验证了一个8位MCU，该CPU时钟周期即为指令周期，兼容MCU指令集，包含8位的运算逻辑单元，包含了ACC、B、PSW等常用的寄存器，4组R0-R7的R寄存器，支持直接，间接寻址，支持位操作，跳转指令可以为8位有符号相对地址跳转或者11位，16位无符号绝对地址跳转。

　　4个优先级12个中断，中断包括外部输入中断，以及串口和计数器等的内部中断，15位可编程Watchdog，另外包含程序ROM接口，外部RAM接口，内部RAM以及SFR接口。MCU本身并不包含memory，所有的ROM以及RAM都是通过外部接口进行通信，这里在VMM环境里实现了行为级的 memory model，来保存程序代码和数据。以下是MCU的简要模块框图。

　　图1 MCU内部结构

　　这个MCU也是在原有基础上改进了指令周期，减少了大部分指令执行所需的指令周期。因为部分指令所需要的指令周期的缩短，很多原有采样和赋值时间相应发生较大变化，在功能验证的基础上，需要关注是否因此对下一条指令产生影响，特别是中断和部分指令同时发生时的一些特殊情况。

　　MCU的指令执行都会通过读写RAM memory来实现，另外所有的外设都会通过配置SFR memory来启动相应功能，并会对相应的SFR置位来显示外设的工作结果或是状态，这里RAM memory和SFR memory内容就是需要关注的检测点，只要保证RAM memory以及SFR memory内容的正确，就可以验证MCU的所有功能正确。

　　3 基于VMM的MCU验证结构

　　基于VMM的MCU验证就需要充分利用VMM的特点，即为有约束的随机数生成、自动数据对比检查，和功能覆盖率收集。

　　3.1 有约束的随机指令生成

　　传统的MCU验证，需要写汇编代码，注入MCU程序ROM进行仿真，汇编代码的质量和覆盖率是影响验证的主要因素。除了可以将应用程序作为 TestCase，只能根据验证目标编写对应的TestCase。这样的TestCase属于Direct TestCase，只能覆盖一部分功能，尤其是MCU有指令组合的情况，以及除了ALU单元的外设单元，当外设单元与内部指令并行工作，Direct TestCase往往是不能满足要求的。这里，VMM提供了有约束的随机数生成，可以将MCU指令集进行分类，将同一格式的指令归为一类，这样可以通过一定的约束随机的生成指令以及指令所需的参数，在下一节的指令类中会详细讲解关于指令的分类与生成。指令生成后，实现了一个汇编器，这个汇编器是由C代码实现的，通过DPI将MCU的C模型接入验证环境中，这样生成的汇编指令可以实时转化为16进制代码，并且直接读入MCU的ROM进行仿真。随机指令生成，可以添加节省人力，并且给出更加特殊的TestCase，此外还可以对易错的情况添加额外的约束，让边缘情况测试几率更大，从而做到更多的验证。

　　3.2 自动数据对比检查

写汇编代码，读入程序ROM，通过仿真来观测结果，结果的正确性通过波形观察，这种验证方法测试数量比较有限，只能在人力控制范围内进行验证，不适合于递归以及大量TestCase的验证。此外，在以往的MCU验证中，一旦发生功能错误，真正的错误点有可能是多个指令之前，需要往前查找波形，往往 debug时候查找问题源会耗费大量时间，甚至有些深层次的问题因为不属于验证目标，或者不在观测点内，往往会被忽略。在环境里，已经引入的随机的指令生成，这就需要一个参照模型能够生成对应的参照结果。这里实现一个用C语言描述的MCU参照模型，同样通过DPI将MCU的C模型接入验证环境中，这个模型以16进制代码作为输入，可以在每一条指令执行写出一个参照结果。MCU的都是通过RAM保存数据，SFR寄存器来保存状态，可以通过对比memory中的数据，来保证MCU的每一条指令的工作状态都是和参考模型是一致的。而且每次添加TestCase后都不需要观测波形或是生成参照结果，甚至可以直接将应用程序放入环境中加以测试。在环境里通过C参考模型写出的每一条指令后的状态会保存下来，由ScoreBoard来读入，环境可以读出MCU执行程序 ROM后