有了硬件模拟器“加持”，以太网SoC测试才能“稳准狠”

现今乙太网路系统单晶片(SoC)设计日益复杂，且电路与功能的模拟验证更是旷日费时；而利用硬体模拟技术，可处理大量验证作业，并支援多用户同时进行，能较传统软体模拟方法，达到更快速、准确的效果，有助SoC设计人员提高工作效率。

乙太网路VirtuaLAB软体可提供由软体控制的整合环境，用于生成、传输和分析乙太网路封包，从而对硬体模拟平台内映射的乙太网系统单晶片(SoC)进行测试。随着对连通性需求的大幅增长，网际网路已成为数10亿用户的主要通讯手段。根据"Internet Live Stats"指出，2014年网际网路覆盖人数已达到30亿，占全球人口约40%。

网际网路实现了广泛的资料通讯服务，如电子邮件、视讯下载、Google搜索、推特(Twitter)消息发送、Skype电话等等。表1列出了每天和每一秒钟的主要网际网路活动数量。

网际网路的起源可以追溯到不同时间不同地点的多项发明的汇合，集众人之力完成。垂直发展包括封包交换技术、通讯协议以及源自20世纪60年代的电信行业活动。Xerox Palo Alto实验室在传输控制协定(网际网路协定或TCP/IP)基础上创建了专为"区域网路"(LAN)开发的乙太网标准。

个人电脑的发明，推动了网际网路发展，使其成为现如今这样拥有30亿使用者的网路。没有个人电脑及其关联设备(如印表机和扫描器)，网际网路可能就只能局限于军事和学术机构中。

在网路术语中，所有连接到网路的设备都被分类为网路节点。在最基本的网路结构中，各节点通过集线器连接在一起。即多埠设备将任何到达的资讯包复制到与之连接的所有其他埠(节点)(图1)。

图1　典型基于集线器的网路配置

这种最简单的方法存在一个问题，即网路的发展会被限制在数台设备或节点当中。

基于集线器的网路中，有四个问题阻碍了网路扩展：

．频宽：通过一段时间内传输的资料量进行测量。在集线器网路中，使用者共用总频宽。

．延迟：通过封包到达目的地的时间进行测量。在集线器网路中，传输规则使得延迟增加到不能接受的程度。

．网路故障：在集线器网路中，一个节点可能会引发其他节点出现问题，如过度广播或不恰当的速度设置。

．冲突：多个节点同时传输封包时会发生冲突，因此可能有必要进行重新传输。

要解决并纠正这些问题，业界开发了可替代集线器的新设备。其中，交换机和路由器可保留频宽、降低延迟、避免网路故障以及防止冲突。

乙太网SoC案例研究

早在1989年，Kalpana就发明了七埠乙太网交换机，可处理10Mbit/s流量。时至今日，乙太网交换机和路由器已达到256个埠，到年底可能还将达到1024个埠，它们可处理1/10/40/100/120Gbit/s的流量。尽管业界预测未来埠数量还将增加，但受到传输介质的限制，频宽不太可能会提升到1000Gbit/s，可看到采用平行处理方法增加频宽的措施。网路交换的延迟持续下降，到如今，最低延迟已降至1μs以下。

大量埠、流量增加、延迟降低、安全性整体提升以及易用性，使得如今的网路交换机和路由器成为巨大的电路设计，达到了五亿逻辑闸数量级，仅屈居于最大的处理器和图形晶片之后。网路SoC的设计，包含128埠乙太网介面，且可支援1/10/40/100/120Gbit/s等不同的连结速度，在实体晶片可用之前，验证此类复杂积体电路(IC)设计是一项难以完成的任务。

当可以在电路区块层级使用硬体描述语言(HDL)模拟时，用模拟流量来验证数亿门级的整个设计显得不合实际，而且必然会被淘汰。这是在电路内类比(ICE)模式中采用硬体模拟的主要案例。

这种验证方式的独特之处在于能通过真实流量对设计进行测试。设定上针对每个埠需要一台乙太网测试仪。由于测试仪和模拟的待测设计(DUT)之间速度范围差异较大，因此不能直接连接，需要在两者之间插入速率适配器。这样就可以将测试仪的高速调整到类比至DUT的相对较低速度。

分析中的设计含128个埠，需要设置128个乙太网测试仪和128个乙太网速度适配器，以及大量接线(图2)。除了错综复杂的布线、潜在的硬体不可靠性、整体开支外，最令人沮丧的是整个设置只能支援模拟实验室附近的单一用户。

图2　128埠且支援1/10/40/100/120Gbit/s传输率的乙太网交换机通过电路内类比(ICE)进行验证。
VirtuaLAB用于网路设计验证

将这种设置与采用虚拟方法的设置进行比较，如明导国际(Mentor Graphics)的虚拟乙太网设备(VirtuaLAB)。在此场景中，装有Linux环境的工作站连接硬体加速器，在工作站上用软体对乙太网测试仪实现一样的行为模式。基于成熟的实现智慧财产权(IP)，模型准确再现了实际的物理测试仪。

这种虚拟测试仪包括乙太网资料包生成器和监视器(EPGM)，可生成、传输并监控DUT的乙太网资料包。可以为1G、10G、40G/100G和120G分别配置GMII、XGMII、XLGMII/CGMII和CXGMII介面。VirtuaLAB软体也可对流量进行离线分析，提供统计资料，并支援下列功能。

VirtuaLAB虚拟测试仪和DUT之间的介面包括一个VirtuaLAB-DPI实例，它负责与虚拟乙太网扩展的寄存器传输级(xRTL)交易处理器通讯，该处理器与连接到DUT的Null-PHY相连。任意xMII支援类型的每个埠需要一个xRTL交易处理器(图3)。