THUASDSP2004处理器功能验证的设计及实现

摘要

随着半导体工艺水平步入深亚微米阶段，单个芯片上的晶体管数越来越多，现代数字系统变得越来越复杂，时钟频率也已经能达到千兆赫兹以上。越来越高的集成度使处理器体积变得更小内部结构更复杂。这种变化在给人们生活带来便利的同时，也使处理器的验证和测试变得更加困难。目前的芯片设计队伍中，验证人员一般是设计人员的两倍，验证所花的时间精力已占整个设计过程的一半以上，尤其是寄存器传输级(Register-TransferLevel，RTL)及高层验证已经成为整个设计过程的瓶颈。处理器的验证无疑成为了当今验证行业的一个巨大挑战。 本文介绍在国家自然科学基金的资助下，由清华大学微电子研究所设计的具有超长指令字(VeryLongInstructionWord，VLIW)体系结构特点的数字信号处理器THUASDSP2004的RTL级功能验证工作。THUASDSP2004处理器芯片内除中央处理器(CentralProcessorUnit，CPU)外，还包含有时钟产生模块、存储器、缓存、DMA通道以及外设设备。该数字信号处理器的CPU具有先进的VLIW结构内核、九级流水线，具有类似RISC的指令集，它的工作频率可达到150MHz以上。 本文首先探讨集成电路测试验证的一般方法和处理器的功能验证方法；然后详细阐述笔者在用基于模拟的功能验证对THUASDSP2004处理器进行验证时所做的工作。本文叙述的内容用于构建基于模拟的功能验证(simulation-basedfunctionalverification)平台，该平台采用伪随机自动生成和手动编写相结合的策略获得测试矢量，再将处理器RTL级实现的模拟结果与周期级精确的仿真器产生的结果做比较来验证数字信号处理器的正确性。笔者主要负责测试矢量的生成和汇编器设计。在进行测试矢量生成时笔者选用已经公开的μGP软件核，通过编写向μGP提供指令信息的指令库生成大量伪随机测试矢量，接着通过代码覆盖率人工分析伪随机验证中的遗漏之处，手动编写测试矢量对验证进行补充。最后本文介绍了将汇编语言的测试矢量转换为机器代码的汇编器的设计实现。本文叙述的验证方法不需要验证人员对被验证处理器有深刻的理解，也不需要太多的人工工作，自动化程度较高。笔者所做工作现已经成功用于THUASDSP2004的功能验证，在比较短的时间内用相对少的测试矢量验证了处理器，最终达到99％以上的代码覆盖率。 通过THUASDSP2004处理器流片的测试结果，已经证明本文所阐述的功能验证方法是一种有效的验证方法。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章引言

1.1集成电路的发展

1.2功能验证简介

1.3功能验证关键技术及现状

1.4功能验证的意义及挑战

1.5问题的提出和研究内容

1.6主要工作和研究成果

1.7本文主要贡献和结构安排

第二章验证理论及方法研究

2.1验证理论概述

2.1.1验证与测试的关系

2.1.2验证的重要性

2.1.3验证的独立性原则

2.1.4系统级验证与RTL级功能验证的关系

2.1.8验证平台

2.2验证方法研究

2.2.1内建自测试

2.2.2确定的功能自测试

2.2.3软件内建自测试

2.2.4本地模式功能测试生成

2.2.5覆盖率的定义

2.2.6一种公开的基于模拟的测试矢量自动生成机制

第三章THUASDSP2004处理器分析

3.1 THUASDSP2004处理器结构

3.1.1数据通路与控制

3.1.4流水线结构

3.1.3功能单元

3.1.4通用寄存器

3.1.5控制寄存器

3.2 THUASDSP2004处理器指令集

3.2.1指令操作码映射图

3.2.2并行操作

3.2.3条件操作

3.3 THUASDSP2004处理器验证难点

第四章THUASDSP2004处理器的功能验证

4.1验证策略

4.2验证策略的提出

4.3验证环境

4.4伪随机测试矢量生成

4.4.1数据类型的设计

4.4.2宏模块的设计

4.5手动测试矢量的编写

4.6汇编器的设计

4.6.1词法分析程序设计

4.6.2语法分析程序设计

第五章实验结果分析

第六章总结

致谢

参考文献

攻硕期间发表的学术论文