物联网的SoC验证

作者: Richard Pugh,Mentor  

物联网(IoT)并不仅仅是一个最新时髦的词语，它是我们每天用于与大规模网络(我们称之为“互联网”)连接并由其提供支持的“事物”。从智能电话到智能城市、个人健康监护仪到机构医疗保健系统、互连家居到互连汽车和交通，这一切现如今都是IoT的一部分；而移动设备和可穿戴设备则是它们的“领跑者”。

IoT市场的实际和预期成长也对网络提供商具有重大影响。毕竟，如果没有网络基础设施的支持，IoT也将不复存在。大型网络公司面临着与IoT开发人员相同的验证挑战和需求。

拥有更多软件、更严格的功耗预算的更大、更复杂的设计，需要采用新的验证解决方案，以应对相关的技术挑战。本文探讨了在验证IoT和网络设计时,传统数字软件仿真和硬件原型不符标准以及使用硬件仿真对整个验证解决方案至关重要的原因；还说明了为什么传统内电路硬件仿真需要转换到以软件为中心的虚拟硬件仿真解决方案。Mentor Graphics是使用Veloce VirtuaLAB的解决方案领域的领导者。VirtuaLAB保留了传统硬件仿真的所有性能、容量和能力，同时增加了显著优势，包括灵活性、更高可靠性、远程访问、工作共享、易用性、更高投资回报以及项目管理。

技术和验证挑战

IoT和网络设计的以下五大特征对公司所面临的验证挑战具有最大的影响：每个芯片需承载更多协议、更大、更复杂的设计、较低的功耗使用要求、更多软件，以及更多交换机和路由器端口。

1.每个芯片需承载更多协议

由于更多应用程序和功能需要同时连接到网络，因此每个设备所使用的协议数量在不断增加。例如，手机需要连接到云存储空间、流式处理视频和音频、运行各种应用程序以及拨打/接听电话和收发文本信息。所有这些协议本身已经很复杂，由于它们与设计的其余部分之间存在如此多的通信和交互，因此它们会呈现出许多棘手的需要检查甚至调试的场景和边界情况。

将所有这些协议都置于单一SoC上会大大增加硬件复杂度。在芯片上进行内部和外部通信的协议越多，验证所需的周期就越长。

2.更大型的设计

较高水平的协议集成会增加复杂度和尺寸，此外，各种功能、多处理器和嵌入式软件也会增加其复杂度和尺寸。如今的客户要求设备可以处理越来越多的内容，需要集成数字、音频、语音和数据，且需要保持始终启用、连接状态。

集成的内容量越高，设计中存在的并发性就越多，验证系统就变得越发困难。新的验证解决方案必须能够处理这些可运行数十亿门的大型、复杂的系统。

3.更低功耗

设计决策需要考虑功耗、区域和性能等因素，尤其是IoT设备的功耗。这使得系统级功耗分析和管理成为一项关键的衡量指标。能够及早提供准确功耗分析数据的验证解决方案对做出低功耗的设计决策至关重要。准确度取决于，在真实环境下，实际运行应用程序的SoC的功耗，这是基于测试平台的传统验证方法不符标准的原因所在。我们需要提供一种全新的、与IoT设备设计师的需求相符的低功耗分析方法。

4.更高端的软件内容

在软件仿真器上运行传统软件验证将失去动力。软件仿真进展太慢，无法对运行数十亿周期或数据帧的SoC执行充分的应力测试。这意味着，设计师不得不在功能方面做出妥协。他们不能完全理解系统或SoC中究竟发生了什么情况，因为他们无法生成和隔离可能在实际应用中导致问题的边界情况。

同样，较多的软件内容会大大增加SoC的开发成本，因为软件的开发要求为每位硬件工程师配备五到十名软件工程师。因此，这些软件工程师需要尽可能高效地执行相关验证。

他们需要一种能够提升OS性能的验证解决方案，并在硬件原型可用之前于目标硬件上运行软件应用程序。此外，此解决方案还具有执行全面验证软件所需的数十亿周期的容量和速度。


图1：增加软件内容可推动SoC开发并节约成本。

5.增加网络交换机和路由器活动

IoT正在不断推动网络发展，因为消费者需要更多的带宽、更加丰富的多媒体，以及更多视频流和音频流。网络公司需要以更高的带宽、更优异的性能计算和更多专注于内容的应用程序来满足此需求。以太网的制定和其他相关的网络标准用以满足这些需求，并通过更快速的网络协议和更多端口来改善网络服务。

例如，为了满足大量网络配置的需求，开发人员在研发新的网络芯片时不得不将数以千计的以太网端口置于单个SoC上。如此一来，在一个硬件测试环境中为所有端口提供连接就变得不可能了。因此，网络公司需要在软件中采取某种方式才能做到这一点。

为IoT提供硬件仿真验证解决方案

所有这些软硬件都需要大量的验证，并且这些验证不会变得更加简单，而只会变得越发困难。当然，来自市场的压力正在持续迫使设备的开发时间变得越来越短，以保持竞争力。硬件仿真是提供容量、性能和周期的唯一方式，以验证组成IoT的大型、复杂、大量软件的设计。但是，需要为IoT量身定制新的硬件仿真解决方案。

认识到这一需求后，Mentor确定，处理这些复杂系统的最佳方式就是让Veloce复制IoT公司设计的方法。这包括从其手机和其他产品上运行的应用程序中断开硬件和操作系统。此方法是可行的，因为终端用户往往比较关注自己想要使用的应用程序，并希望这些应用程序可以在其所拥有的任何操作系统或设备上都可以运行。

因此，通过Veloce硬件仿真平台，设计师可以以他们在设备上运行应用程序相同的方式，使用Veloce应用程序来测试他们的设计(不论是哪种细分市场：存储、网络、移动、图形)。Veloce OS为内部或第三方开发的应用程序提供了一个硬件仿真器界面。这些应用程序可在被称为Veloce OS的单一操作系统上运行。由于Veloce OS与任何版本或任何型号的Veloce硬件系列都兼容，因此用户可轻松使用下一代平台并能够从中受益，这将会保护他们的投资并在公司的绩效和容量需要增加时提供可扩展性。


图2：Veloce OS及应用。

此外，Veloce OS还支持企业服务器，企业服务器可使用LSF软件优化资源使用量并提供工作管理。这样，用户可以将工作从其桌面提交到位于全球任何地方的数据中心的Veloce硬件仿真资源中。企业服务器支持在多种使用模式下为多个项目、团队、用户同时使用Veloce。企业服务器可确定在哪里有效地分配单个或多个项目，以确保最高效地利用Veloce资源。因此可以随时随地高效地访问数据中心友好型硬件仿真系统。

但是，如果执行设计所需的外围设备和协议并非基于软件，那么所有这些操作都将是徒劳。这便是Mentor开发Veloce VirtuaLAB的原因。VirtuaLAB已经改变了基于SoC的硬件仿真的方式，并为企业服务器功能做好准备，将实验室环境转变成只需硬件仿真器和工作站来执行协议模型软件版本的数据中心。由于VirtuaLAB使用与ICE硬件解决方案相同的协议IP和软件堆栈，因此可以利用软件的灵活性和可重复结果，提供与基于传统ICE验证相同的功能，进而为用户提供硬件准确度。

与ICE相比，其具有实实在在的优势：

●更高的可靠性，因为其消除了常会引发故障的外部硬件和布缆。

●通过高效的多用户环境提供更高生产率，并能通过只改变其编译参数(而不是换入/换出混乱不堪的外部硬件底盘和缆线)远程重新配置 VirtuaLAB模型。

●利用可靠、低成本的工作站来执行软件模型而非连接硬件(包括昂贵的测试仪)，进而降低总体成本。

●将硬件仿真器从实验室移入数据中心，以使多个团队可以随时随地使用硬件仿真器，就像一个PC场，从而实现更高投资回报。

●由于基于软件的解决方案具有较高的调试可见性并且设计人员可以访问在物理环境中很难使用的软件协议检查器和分析仪，因此可实现更高品质。

让我们一起来了解下基于Veloce软件的环境如何具体地解决IoT和网络开发人员面临的五大技术挑战。