如何搭建SoC项目的基本Testbench

忘是亡心i 2022-08-18 00:46 143阅读 0赞

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作者：lshj98115

(整理自EETOPBBS ）

## 前言 ##

写这个文档的目的是让大家对搭建SoC项目的Testbench有一个比较清晰的认识，可以根据这个文档来一步一步的搭建起一个SoC项目的基本的testbench。本文档重点是指导大家搭建基本环境，以及能解决搭建Testbench过程中容易遗漏的问题或者容易遇到的“地雷”。

我搭的SoC项目的testbench会有一些相对特殊的点：

## 特殊点 ##

1）要有嵌入式的软件。这里包括两部分，一是初始化的bootloader（一般是固化在rom或者存放在外部的flash里），一是boot起来以后放在外部易失性存储介质上的应用层的程序。

2）正常启动起来（一级boot可以切到应用程序了）以后，为了简化流程，我们要使用ISS的环境。 — 这是比较特殊的一个点

3）环境主要脚本的维护和修改。主要是单个仿真和批量仿真（regression）核心脚本

4）为了优化仿真和编译速度，我们要能把不用的模块dummy掉。

5）文件列表的处理

6）SoC软件与Testbench都能访问的“共享空间”的处理

7）公用函数的准备，比如根据CPU看到的地址空间直接访问外部DRAM的数组，进行初始化写、数据写和数据读操作。

8）环境变量的维护。

9）Define文件的维护

10）DDRC的替换（一个是AXI\_SLV\_VIP的替换，一个是简单AXI\_SLV模型的替换）

磨刀不误砍柴工，把需要的东西提前准备好，搭建Testbench就像搭积木一样简单快速了。

## 环境变量维护 ##

使用module工具来维护整个项目的环境变量。目的是为了让项目上的工程师都使用统一的环境（主要是工具版本和环境变量）。

## 核心脚本的维护 ##

两个脚本：run\_sim 和regress。 run\_sim负责提交单个仿真任务，regress负责提交批量仿真任务。两个脚本已经使用了很多项目了，脚本的具体说明我以后专门开专题讲。在这里只提醒一下，run\_sim脚本通常需要根据不同的项目做微小的改变。

run\_sim和regress都是比较大的perl脚本程序,大致描述一下功能。

### run\_sim脚本功能 ###

1）为每个仿真产生仿真目录。仿真的目录里应该包括文件列表（硬件和软件）、编译和仿真命令（注意包括嵌入式软件的MakeFile）、提前建立需要的子目录、和单个仿真对应的文件链接（比如维护的C的测试主函数、扩展的随机类的SV文件、一级bootloader文件的链接）、define文件、本仿真的重构命令（这是一个容易忽略的，一旦你跑regression的时候某个仿真失败，你又不想在出错的目录下重新仿真，用这个重构命令文件就可以直接提交）。

2）各种option的维护。比如不同仿真需要不同的define、编译和运行option、dump波形的scope以及层次

### regress脚本功能 ###

regress脚本比较简单，要吃一个由很多run\_sim仿真命令组成的命令集文件。用regress脚本把这些仿真命令提交到工作站上去。需要注意的是：有时候可能会有一些公共的option或者define，比如打开coverage收集、某个define要应用到整个regression里。所以regress脚本要能支持对所有run\_sim命令添加option的功能。

### 产生dummy文件 ###

使用gen\_dummy\_file脚本来产生dummy文件。设计工程师可能也要维护一个module\_dummy.v的文件用于做integeration，验证工程师产生的dummy文件记得名字不要和设计自己维护的文件重复了。

为什么不使用设计维护的文件？因为一个是设计维护的文件在integration以后很可能就不再维护了；另一个是设计维护的文件可能output全是assign成0的，但是对于模块输出的pready\\CEN等信号最好assign成1，否则可能导致问题（例如：sram使能信号CEN赋成0，可能导致后面的sram模型认为有读写行为；pready信号赋成0，可能导致SoC软件跑起来的时候对该模块寄存器操作的时候挂死apb总线）。

这个脚本并不好写。因为verilog语法支持的模块声明实在是太多了，导致脚本很容易顾此失彼。举例来说几个复杂的地方：

module声明后面可以跟parameter的就很复杂

Module test \#(parameter a = 1,Parameter b = 2,C = 3,D = 4 );

这些parameter很可能要用在端口位宽的声明里。更为麻烦的是parameter里可能会有function的使用。而function有可能是以define的形式写到代码中。这样就很难用parse RTL的方法来解决。

再比如： 端口声明里出现ifdef else endif这种编译宏的处理也比较麻烦。

也可以使用simulator或者debug工具提供的用户接口来编写tcl程序来获取各个端口的name、width信息。但是不同仿真（define不同）可能导致端口宽度和端口不一致，结果要针对不同define来维护不同的dummy也比较麻烦。

总之，产生dummy文件以后一定要记得检查一下。Dummy文件可以有效缩短编译的时间。

## 文件列表处理的维护 ##

上述几个事情是应该提前准备好的，接下来我们要开始编译RTL了。Integration好的文件列表，首先要先编译该文件列表。有可能遇到的问题是加密文件的种类，有可能文件列表里的加密文件和你用的仿真器不一致。然后结合前面产生好的dummy文件，我们要处理出一个简化设计的mini-文件列表，一般里面只包括初始化必须的模块（Clkrst、PAD、CPU、总线拓扑、内存控制器），也就是把video系统、外围接口、存储系统这些模块统统dummy掉。

产生mini-文件列表

可以用脚本来维护一个配置文件，在该配置文件中指明如何删改原有文件列表。

注意最终使用的文件列表里的文件路径应该是绝对路径。

使用绝对路径的好处在于可以让run\_sim脚本指定仿真在任何目录下进行（比如regression要提交到别的硬盘上去跑，那么就必须使用绝对路径了）。

注意绝对路径里不要用`$macro`的结构，别人有可能用你的文件列表跑仿真或者debug，而别人的`$macro`很可能与你的不同，导致出问题\`。

文件列表的产生有一个地方需要注意：

通常来说一个文件（比如a.v）在一个文件列表里只允许出现一次。否则可能会有重复module的编译错误。但是有时候集成比较特殊（比如FPGA版本），为了改动的时候少调整code，会使用ifdef-elsif-else-endif这种结构来对同一个文件的module定义不同的module-name。比如文件a.v的内容如下：

`ifdef FPGA1
    module v_fpga1 (
    
    `elsif FPGA2
    module v_fpga2 (
    
    `elsif FPGA3
    module v_fpga3 (
    
    `else
    module v (
    
    `endif

那么在文件列表里就会是下面这种结构：

fpga1_def.v
    
    a.v
    
    fpga1_undef.v
    
    fpga2_def.v
    
    a.v
    
    fpga2_undef.v
    
    ……

请注意文件列表处理脚本，有可能会有“去重”的处理。这个时候要去掉文件列表处理脚本的“去重”功能。

编译过mini-文件列表以后就可以开始真正的准备写testbench顶层模块了。

## Define文件的维护 ##

我们在搭建testbench过程中的interface、env、svtb等可能需要xmr（cross module reference）访问信号，这时候维护一个公共的define文件很重要。该define文件中应该包括

1）各个主要模块的xmr路径define ，记得按照ASIC/ FPGA/模块级 来分别区分define

2）地址空间上模型数组的路径。比如dram模型里数组的xmr路径、sram里memory数组的xmr路径

3）共享空间的部分地址的define，比如我们的软件打印的实现所用到的共享空间的define

4）Dram基本define

## 共享空间 ##

SoC项目Testbench中的“共享空间”，是指的软件（嵌入式C程序）和Testbench（SV程序）都可以看到的空间。一般来说Testbench可以看到所有的内容，而软件只能看到CPU地址空间（寄存器、SRAM、ROM、Dram、外部IO空间等）。共享空间需要的地址范围不算小（可能需要几十KB，所以一般是放在CPU可见的SRAM和Dram里），对于ISS会有所不同（后面会说明）。

## 公共函数的维护 ##

项目上大家都可能使用到的函数即为“公共函数”。我个人认为最重要的是对CPU地址空间的访问（我们是xmr\_read\_mem和xmr\_write\_mem）。以及基于这几个函数（task）实现的文件存取等函数。

在实现xmr\_read\_mem和xmr\_write\_mem task(或function)的时候，主要模型数组的宽度会导致根据模型数组下标访问的地址的不同。比如，加入位宽是128bit，那么一个memory就对应着4个32bit的word。----- 各个项目会有所不同。

另外，对于Dram的处理是最复杂的，尤其是Dram是支持bank地址和Row地址 remap的，所以要特别注意remap时候的 地址和bank信号、row地址信号的对应关系。-----这个工作是可以继承前面项目的。

Xmr函数需要考虑“用SRAMC或者AXI\_SLV\_VIP替换DDRC”情况下的实现。

简单说一下vip\_slave\_write32函数的实现。 这个函数调的底层函数是：

env.axi\_slave\_subenv.do\_write32(addr, data);

但是该函数在tb其他组件可能看不到，但是program可以看到。所以在program里做一个函数来调底层的env.axi\_slave\_subenv.do\_write32

然后把program的这个do\_write32用DPI export出去。

在tb上维护一个xmr.c的c程序，里面实现vip\_slave\_write32。在xmr\_wr\_mem32里调用的就是这个vip\_slave\_write32.

使用xmr\_wr\_mem32 和 xmr\_rd\_mem32可以比较容易的实现：

1）装入初始化程序 — 一级bootloader要装入到rom中，应用程序要装入到dram中。使用xmr\_wr\_mem32可以直接以访问cpu地址的形式来写入程序。

2）把激励数据灌入dram中，让被测模块从dram中取激励数据。或者从内存中读取成片的数据用来做比对（比如解码解完了一帧，从内存中一次性把整帧的yuv解压缩完的数据读出来）。

这里可以使用上面装程序类似的方法来实现。也可以利用xmr\_rd\_mem32和xmr\_wr\_mem32来实现一个通用的task。

把指定文件写入到内存中作为激励数据：

这里有一个小技巧，就是用fscanf来读取文件中的一行数据，然后判断字符串的长度，从而得到输入文件一行几个byte,然后根据一行几个byte来装入到dram中。

## Testbench顶层文件 ##

我们基于mini-文件列表来做Testbench顶层文件，是为了加速编译速度。

Testbench顶层最主要的是例化DUT的顶层。Emacs用户做集成很容易；我是VI用户，稍微麻烦一些，使用vi的替换功能也可以比较快的集成起来：

1）把顶层模块的input output inout端口声明部分copy出来，把input-outpput-inout替换成“wire”，来实现信号的声明。个别信号，系统输入信号、系统reset信号需要改成reg，并产生reg信号的激励。 时钟的产生建议使用一个module来产生，目的是为了让代码简洁清晰一些。

2）Copy一份wire声明的部分，然后处理成DUT的集成。

s/\\s\*\[\\d+:\\d+\]// 去掉位宽声明  
wire \[1:0\] A; à wire A;

s/wire\\s+// 去掉wire声明  
wire A; à A;

s/(\\w+)/.\\1(\\1)/ 产生集成  
A; à .A(A);

3）处理一下模块名声明例化和分号。  
.A(A); à .A(A),

给顶层信号加pullup pulldown，一般来说顶层信号都要加pulldown，个别信号需要加pullup.总之是不希望让TB引入X状态。如果不知道哪些加pulldown pullup，至少要对 测试模式输入pin（TEST）、CPU Jtag口、初始化要读取的PAD状态或者标识PIN加入合适的pullup或者pulldown。

例化interface和program。

Program通常就是简单例化SV的组件（比如VMM下的env），以及include每个testcase所不同的处理部分

在每个test.sv里通常是实现随机变量的扩展类。

要注意Program如果结束的话，那么仿真也会结束，所以注意控制program的结束时间。

例化基本仿真模型。最主要的是Dram模型了。请注意，Dram模型的例化最好用define处理好，因为Dram有可能要做4bit 8bit 16bit等几种情况，不同大小、不同位宽的dram的地址信号宽度不同，外挂的片数也不同，这里集成的时候需要特别注意。

Dump波形的实现机制：

Dump波形的原则是“是否dump、修改dump的起始时间、修改dump的层次都不需要重新编译”。前两个要借助仿真的运行参数来控制，后一个使用verdi的pli。

通常Testbench顶层文件都比较复杂，建议多使用Include文件的方式维护，这样代码可读性较强。而且顶层文件里通常有比较多的ifdef-elsif-else-endif的编译结构，代码太复杂的话，可能有一些笔误造成的编译错误。

Include前面准备好的公共函数文件和公共define文件。

程序初始化load代码。SoC项目需要嵌入式软件代码，包括一级boot和Dram里的应用程序。这两段程序代码都需要load到对应的存储介质中去。这个load工作可以使用基于xmr\_write\_mem函数构造的写文件函数比较简单的实现。------具体实现前面已经贴过了。

至此，testbench顶层基本完成。

## 初步debug设计和环境 ##

顶层testbench写好以后，编译通过后，dump整体波形，可以看一下各个模块端口上是否有高阻Z，有的话说明可能有漏接的内部信号，尤其是主总线上的各个master口和slave口的连接。

检查CPU PAD ROM控制器 SRAM控制器等初始化需要的基本模块是否有时钟和reset。如果没有的话，说明根据外部输入系统时钟和系统reset产生的基本模块的时钟和reset有问题。

### 一级Bootloader ###

一级bootloader是为了做初始化的，系统实际使用的bootloader是比较复杂的，牵扯到外部存储介质上的参数搬运和配置。仿真用的一级bootloader要尽量的简单，因为一级bootloader所有的仿真都要用，这一步要是慢了会浪费时间。------- 当然，使用ISS的话，就不存在这个问题了，但是一样也要求初始化要尽量的快速。

我个人建议仿真bootloader里就只设计如下几个步骤：

1）系统上电初始配置

2）初始化pll至目标频率（如果系统pll默认频率就是目标频率，那么这一步就省略）

3）配置核心模块时钟频率以及切时钟，对必要模块进行软件reset

4）内存控制器初始化

5）Remap到内存中准备执行内存中的应用程序。 ------ 一般汇编实现

最基本的函数是对CPU空间的访问处理函数

#define SETREG32(reg,val)
        (*((volatile unsigned int *) (reg)) = ((unsigned int) (val)))
    
    #define GETREG32(reg)
    (*((volatile unsigned int *) (reg)))

reg是寄存器地址，val是要配置的数值。 Volatile保证直接操作到内存。

应用程序代码

应用程序代码里也要做一些初始化，主要是非核心模块的时钟配置以及非核心模块的软件复位操作。

如果使用ISS的话，由于没有一级bootloader，所以要把一级bootloader的代码功能在应用程序初始化中实现。

需要注意的是，使用ISS的时候，使能cache可能导致ISS行为异常。可以在cache使能的位置使用ifdef ISS。汇编代码中是：

IF
    ( EF: ARM_ISS)
    
    NOP
    
    NOP
    
    ELSE
    
    Cache-operation
    
    ENDIF

汇编代码中include define文件是：

GET define.s （注意不能顶头写！）

然后构造一个极简单的应用程序。一般就是访问一下ddr、sram、寄存器和打印。

endsim()是结束仿真函数,如果希望让软件控制什么时候结束仿真，那么就可以在软件中的合适位置调用该函数。 函数的实现是利用共享空间，软件写入到共享空间指定位置一个标志，然后svtb中while(1)的去采样该标记就可以了。

## 实现嵌入式代码在仿真平台上的打印 ##

软件代码里相对复杂一些的是“printf”的实现。重点是使用软件和testbench都能看得到的地方来存放要打印的内容。然后testbench里while（1）的根据“打印使能”、“打印开始”、“打印结束”标志来把内容$write出来。

软件和Testbench都可以看到Sram空间（一级bootloader用来做数据存放和堆栈的sram）。注意bootloader的scatter文件里不要让stack-top覆盖了这部分空间。

Printf与实际C的printf的实现机制是一样的，都是利用“不定个数参数的函数”（实现机理：因为参数是从右向左压栈，所以最开始的那个参数在最接近栈顶的位置，这个参数在栈中的位置编译器可以知道）。

## Debug整体环境 ##

至此，整个环境已经基本建立起来了。结合一级bootloader和简单的应用程序代码可以debug系统初始化流程和整体环境。通常这里会有一些集成、以及总线访问的小bug。

## ISS替换 ##

为了加速编译和仿真速度，我们使用ISS来替换CPU-IP。ISS一些C程序代码。提前把这些代码编译成.so文件，然后编译的时候就不用编译ISS了，链接的时候link进来就可以用了。

使用ISS的优势：

1）可以dummy掉CPU-IP的代码

2）不需要一级bootloader

3）执行软件很快

4）Testcase依然可以基于嵌入式c程序来写

5）模块级的testcase也可以用C实现

ISS外面包一个AXI的wrapper，把这个模块例化到testbench顶层。Force到cpu的data总线的AXI口上（如果是Arm9的话，是AHB总线）。IO访问的task文件要include到testbench顶层中去。对于寄存器空间的IO访问，需要产生正常的时序；而对于内存空间的访问，可以调用前面介绍的xmr\_wr\_mem32和xmr\_rd\_mem32函数来加速。

ISS可能和CPU-IP不是同一个类型的CPU，这里要注意编译软件代码的时候需要加—cpu的区分，甚至可能导致软件代码的编译器都不同。这些不同可以体现在run\_sim脚本里。

每个项目的CPU地址可见空间可能不同，需要注意ISS的空间配置文件的内容要根据项目的不同而不同。IO访问的task里的地址访问也会有所不同。

ISS下共享空间与实际CPU\_IP不同，像实现打印这种功能，可以不必使用CPU地址空间。这是因为ISS的wrapper是testbench的一部分，可以直接在testbench上实现一个大数组来作为“共享空间”，这样更简单直观。

## DDRC的替换 ##

系统起来以后，我们可能需要替换掉DDRC。一般有两种情况：

1）使用SLAVE\_VIP替换DDRC，目的是为了随机控制slave的latency。实现模块访存的异常情况。------ 一般要结合ISS使用,因为没必要把应用代码初始化到slave-vip中。Slave-vip的读写可能会比较慢，对于大数据量的写入行为，仿真可以明显感觉到停顿。

把内部端口和slave-vip对应上：建议使用macro，方便阅读和简化代码。

2）使用一个更为简单的Slave（SRAMC）来替换DDRC。目的是为了快速初始化（不用配寄存器做初始化），加快编译和仿真速度。

SRAMC不是class，而是一个module。把它例化在顶层TB里，与上面的Slave-VIP一样也需要和内部端口对应上。

SLAVE\_VIP和SRAMC都是参数化设计，可以方便的修改数据宽度等信息。