eng
Выпуск #3/2021
Т. Грёткер, С. Белоусов
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССОРЫ ASIP И СПОСОБЫ ИХ ВЕРИФИКАЦИИ
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРОЦЕССОРЫ ASIP И СПОСОБЫ ИХ ВЕРИФИКАЦИИ
Просмотры: 1248
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.204.3.58.65
Рассматриваются основные преимущества разработки специализированных процессоров (ASIP) с помощью инструментов, входящих в платформу ASIP Designer от компании Synopsys, и подробно обсуждаются подходы верификации полученного процессора: проверка функциональной модели процессора, тестирование программного обеспечения и профилирование, а также верификация RTL.
Рассматриваются основные преимущества разработки специализированных процессоров (ASIP) с помощью инструментов, входящих в платформу ASIP Designer от компании Synopsys, и подробно обсуждаются подходы верификации полученного процессора: проверка функциональной модели процессора, тестирование программного обеспечения и профилирование, а также верификация RTL.
Теги: asip asip designer platform synopsys verification of processor designs верификация проектов процессоров платформа asip designer специализированные процессоры
Специализированные процессоры ASIP и способы их верификации
Т. Грёткер , С. Белоусов
В статье рассматриваются основные преимущества разработки специализированных процессоров (Application-specific instruction-set processor – ASIP) с помощью инструментов, входящих в платформу ASIP Designer от компании Synopsys, и подробно обсуждаются подходы верификации полученного процессора: проверка функциональной модели процессора, тестирование программного обеспечения и профилирование, а также верификация RTL.
ASIP Designer [1] от компании Synopsys – это уникальная программная платформа, позволяющая автоматизировать процесс разработки, оптимизации, а также верификации ASIP, обеспечивая тем самым построение эффективных каналов передачи данных, команд управления и архитектуры памяти для реализации требуемого параллелизма на уровне инструкций, данных и задач. Два подхода – Compiler-in-the-Loop и Synthesis-in-the-Loop – позволяют получить оптимальные результаты за короткое время, снижая риски и сокращая затраты на разработку СнК. Кроме того, ASIP Designer совместим с существующими сегодня на рынке системами непрерывной интеграции и верификации.
Верификация процессора на стадии проектирования требует больших временных затрат. Однако с помощью ASIP Designer можно существенно сократить время выполнения верификации за счет автоматизации и упрощения тестового окружения, а также использования динамических тестов и формальных методов проверки устройства.
Под тестируемой моделью процессора в рамках статьи понимается полный комплект средств разработки (SDK), генерируемый средствами ASIP Designer. Рассматриваемая проверка RTL включает три этапа: проверку ядра процессора, его взаимодействия с периферийными устройствами и, наконец, интеграции процессора в систему.
ВВЕДЕНИЕ В ASIP Designer
На рис. 1 представлен интерактивный процесс разработки специализированных процессоров с помощью платформы ASIP Designer.
Процесс разработки начинается с определения модели процессора, которая состоит из трех основных частей:
Система команд, специфика микроархитектуры, организация конвейера, регистры и память. Описание данных характеристик выполняется в виде nML-кода вместе с заголовочным файлом, в котором определяются примитивы типов данных и функций.
Примитивы с определенной функциональностью и временны´ми характеристиками, описанные с помощью C-кода, называемого PDG, который нужен для проведения моделирования с точностью до такта.
Заголовочный файл компилятора, который содержит отображение типов и операторов C / C++ из алгоритмического исходного кода в примитивы процессорного ядра.
На основе данной модели процессора генерируется SDK (рис. 1 (1)), компилятор C / C++, ассемблер и компоновщик. Помимо этого, создается высокоуровневая модель ISS, отладчик и профилировщик для оценки разработанного кода и используемых в нем алгоритмов.
Обычно процесс работы с ASIP Designer начинается с запуска примеров моделей процессоров, доступных в платформе. При этом благодаря автоматической генерации SDK можно сразу же начинать исследование архитектуры (рис. 1 (2)). Корректность работы модели процессора оценивается путем профилирования программ, реализующих ключевые для него алгоритмы.
Генерация аппаратного представления VHDL / Verilog (рис. 1 (3)) происходит на основе nML / PDG. После этого применяется подход Synthesis-in-the-Loop, который позволяет автоматически получать информацию о площади, быстродействии и потребляемой мощности будущего устройства. ISS и RTL, полученные из одного инструмента, по сути своей являются эквивалентным представлением одного и того же процессора.
ФАЗЫ ВЕРИФИКАЦИИ
Далее мы рассмотрим три основных этапа верификации, показанные на рис. 1.
На первом этапе – верификации модели процессора – проверяется функциональная корректность процессорного ядра для генерации на его основе пакета SDK.
Второй этап – верификация исходного кода – связан с исходным кодом приложения, которое используется для оптимизации архитектуры процессора. Иными словами, архитектура процессора выбирается на основе ПО, которое будет на нем выполняться. Этот подход иначе называют Compiler-in-the-Loop.
И последним этапом является верификация RTL-кода. Основная задача этого типа верификации – проверить, что полученный средствами ASIP Designer код соответствует исходным требованиям спецификации. В первую очередь необходимо проверить, что RTL-код функционально соответствует модели процессора, его периферия работает без ошибок и он правильно интегрирован в систему.
Верификация модели процессора
Статическая верификация
Статические проверки процессорного ядра выполняются непосредственно на этапе генерации SDK. Они включают в себя проверки на связанность (ограничения на передачу данных между переменными различных типов), аппаратные конфликты (одновременное использование одной области памяти двумя параллельными вычислительными потоками), проблемы с конвейером, неиспользуемые инструкции и т. д.
Результатом статических проверок является отчет с диагностическими данными. На рис. 2 приведены два таких отчета. Отчет по связанности показывает, для каких областей памяти данные могут быть перемещены, а для каких нет. В отчете о проблемах с конвейером указано, какие проблемы в нем присутствуют. Компилятор C, встроенный в ASIP Designer, может устранить указанные проблемы в ПО, как только разработчик добавит соответствующие правила в nML-модели процессора.
Кроме того, автоматически генерируются однострочные тестовые программы на C для проверки полноценной поддержки этого языка. На рис. 3 продемонстрированы примеры однострочных тестов, сгенерированных средствами IDE ASIP Designer.
Динамические тесты: сравнение с эталонным исполнением инструкций
Динамические тесты играют ключевую роль в процессе верификации в платформе ASIP Designer. В пакете ASIP Designer доступны примеры готовых процессоров с набором таких тестов.
Стандартная практика проверки подразумевает разработку на основе C базовых повторно используемых программных тестов. Эти программы должны использовать специфичные для конкретных применений типы данных и операции. Для этих целей ASIP Designer создает стандартный файл заголовка с описанными классами C++ и перегружаемыми операциями.
Программы тестов, написанные на C, изначально запускаются на хостовом процессоре, например x86, и компилируются с использованием сторонних компиляторов C++, таких как g++ или VisualC++. В дальнейшем результаты таких тестов могут использоваться в качестве эталонных. Например, возможно их применение для проверки потактовой модели процессора или финальной версии RTL-кода с использованием HDL-симуляторов.
Основной набор динамических тестов, который рекомендуется для проверки модели процессора, включает следующее:
a) Юнит-тесты. Независимо от того, разрабатывается ли процессор с нуля или модифицируется существующий, любые изменения в ISA или микроархитектуре должны быть покрыты соответствующими тестами. Это включает в себя проверку работы арифметических операций, инструкций записи-чтения, переходов, режимов адресации и работы конвейера. Нужно отметить, что тесты должны включать в себя проверку функциональности в пограничных условиях. Кроме того, в случае любого изменения архитектуры новые или измененные функции должны сразу же покрываться соответствующими юнит-тестами.
б) Программно-функциональное тестирование. Преимуществом использования платформы ASIP Designer является ранняя и непрерывная верификация с использованием программных тестов. Возможность положиться на эффективный компилятор C / C++ обеспечивает более эффективную разработку тестового окружения в сравнении с тестами на базе низкоуровневых языков.
Тесты в целом можно использовать повторно без существенных изменений, даже если ISA или микроархитектура подвергаются изменениям: исполняемый код проверяет не только работу процессора, но и корректность работы компилятора, и самого по себе программного обеспечения.
В качестве примера в таблице представлены программные тесты, которые компания Synopsys поставляет вместе с учебной моделью ASIP Tmicro.
в) Тестирование компилятора. Тестирование компилятора по сути представляет собой проверку целостности и корректности nML-модели и заголовочного файла. Существует четыре способа проверки компилятора:
Процессорно-специфичные однострочные программы проверяют, что все ресурсы для компиляции C доступны.
Юнит-тесты, полученные для заголовочного файла, проверяют отображение и оптимизацию конструкций языка C / C++.
Одинаковые результаты, полученные при исполнении тестов на хостовом процессоре (например, x86) и на программной модели ASIP доказывают эквивалентность GCC или иного применяемого компилятора и специализированного компилятора ASIP.
Непрерывное увеличение числа специфических тестов обеспечивает покрытие ими всё большей функциональности.
г) Тестирование прерываний. Необходимо, чтобы модель процессора обрабатывала прерывания корректно. Помимо соответствующих юнит-тестов, рекомендуется также перезапускать обычные программные тесты с включенными прерываниями. Время их срабатывания необходимо в данном случае указывать случайным или псевдослучайным.
Самый простой способ сделать это – добавить генератор импульсов в PDG-код модели процессора, как показано в примерах применения Tmicro [2, 3].
Верификация исходного кода
При оптимизации архитектуры с помощью ASIP Designer обычно используют подход Compiler-in-the-Loop, который подразумевает компиляцию и профилирование ядер приложений, описанных на C / C++. Поскольку архитектурные изменения кодируются в nML / PDG-модели процессора, они обычно идут рука об руку с модификацией исходного кода приложения. Чтобы обеспечить целостность проекта, каждое изменение кода должно быть проверено как можно раньше в среде непрерывной интеграции (CI), то есть каждое изменение в исходном коде сначала исполняется на хостовом процессоре и в ISS, после чего результаты этих двух проверок сравниваются. Это мы и определяем как верификацию исходного кода.
Рассмотрим пример трансформации исходного кода: введение специфичных для приложения типов данных и операций, векторизация, трансформация циклов для оптимизации использования памяти, преобразование потока управления, чтобы предоставить компилятору больше параллелизма. На рис. 4 представлено, как такая трансформация исходного кода помогает улучшить быстродействие при разработке архитектуры средствами ASIP Designer.
По оси абсцисс на рис. 4 расположены даты итеративного изменения кода, по оси ординат – количество тактов на выполнение задачи.
Верификация RTL-кода
Основные инструменты
Для обеспечения непрерывного маршрута, построенного на базе SystemVerilog и совместимого с различными компонентами UVM, рекомендуются четыре основные технологии:
Повторное использование как можно большего количества программно-функциональных тестов.
Генерация случайных последовательностей инструкций с помощью инструмента Risk [4].
Конфигурируемый SystemVerilog-код, включающий в себя тестовое окружение, классы для последующей генерации случайных последовательностей импульсов и групп покрытия для ISA.
Интерфейсы между ASIP Designer и виртуальными / аппаратными системами прототипирования.
RTL-верификация
Выше мы говорили о росте количества программных тестов от инструкций, алгоритмических ядер и до конечного приложения. Точно также в RTL-верификации в первую очередь нужно начать проверку с процессорного ядра. Далее увеличивается периметр проверки и добавляется различная периферия. В процессе такого масштабирования мы приходим к законченной системе, в которой присутствует разработанный средствами ASIP Designer процессор.
Такое разделение устройства на подблоки для проверки называется кольцами верификации (рис. 5).
Процессорное ядро
В первую очередь мы должны обеспечить корректность имплементации процессорного ISA, и нашей ключевой метрикой будут степень покрытия инструкций сгенерированными SystemVerilog-мониторами плюс построчное покрытие RTL-кода. Также нужно проверить эквивалентность ISS и RTL с точки зрения функциональности и временны´х характеристик.
Платформа для такой проверки автоматически генерируется инструментом ASIP Designer RTL generator [5]. Она включает в себя генераторы синхросигналов, сигналов сброса, а также модели памяти для программ и данных. Стандартные тестовые программы могут быть запущены на такой платформе «из коробки» без дополнительной их модификации. Кроме того, процесс сравнения на эквивалентность ISS и RTL в ASIP Designer выполняется автоматически.
Разработка корректных, значимых тестовых программ, которые бы обеспечивали хорошую степень покрытия, является задачей, требующей для большинства процессоров больших временных затрат. В ASIP Designer данная проблема решается с помощью специального инструмента Risk, представляющего собой генератор псевдослучайных низкоуровневых тестовых программ (рис. 6).
Примеры, доступные в инструменте Risk, содержат в себе арифметические проверки, проверки перемещения данных, а также различные варианты проверок управляющих операций [2].
Необходимо разделять два типа собираемых метрик покрытия: те, которые отвечают за сравнение RTL и ISS, и те, которые отвечают на вопрос: «Действительно ли процессор выполняет требуемые операции?». Тестовые программы, которые генерирует Risk, в первую очередь предоставляют первую метрику. Если процессорная модель была дополнена утверждениями SystemVerilog, то тесты, полученные из Risk, могут также использоваться для проверки функциональности и быстродействия процессора или периферии.
Создание SystemVerilog-мониторов может конфигурироваться под конкретные нужды проекта. На рис. 7 показан пример, показывающий, как ASIP Designer генерирует SystemVerilog-код для перекрестного покрытия тестами различных типов инструкций и двух крайних левых битов регистра MC.
Периферия
В ASIP Designer присутствует механизм для автоматической генерации случайной последовательности инструкций, представляющих собой специальные SystemVerilog-классы. Они же могут использоваться для проверки периферийных блоков.
Со смещением фокуса верификации с ядра, полученного средствами ASIP Designer, в сторону процессорной подсистемы необходимы дополнительные генераторы сигналов и блоки проверки. Обычно это подразумевает использование сторонних верификационных блоков (VIP) для проверки блоков памяти и коммуникационных каналов.
На рис. 8 показан SystemVerilog-класс, полученный для очень простой модели процессора. Этот класс представляет собой высокоуровневое представление ISA, содержащее поле enum, необходимое для инструкции. Методы get_image() и get_syntax() обеспечивают доступ к инструкциям и их синтаксическим представлениям.
Интеграция системы
Когда речь идет о проверке интеграции на уровне системы, необходимо учитывать также условия загрузки, поскольку различные процессоры могут считывать программный код ASIP из флеш-памяти, проверять его, декомпозировать перед тем, как наше ASIP-ядро начнет работать. Часто также следует учитывать DMA-контроллеры, которые переносят данные из памяти DDR в SRAM-память системы. Помимо этого, в системе могут присутствовать блоки управления питанием (PMU), контроллеры сенсоров, с которыми необходимо выполнять итерации. На этом этапе сложность устройства многократно возрастает, что влечет за собой также усложнение тестового окружения. Это в свою очередь оказывает негативное влияние на быстродействие средств моделирования RTL-кода.
Быстродействующие системы, такие как аппаратные эмуляторы [6], системы прототипирования, построенные на базе FPGA [7], или виртуальные прототипы позволяют проводить верификацию на уровне системы. ASIP Designer поддерживает все три метода, которые указаны выше, за счет поддержки аппаратных платформ ZeBu, HAPS и системы виртуального прототипирования Virtualizer. ASIP Designer автоматически генерирует необходимые скрипты, программный код и окружение для них. Прототипы от сторонних производителей поддерживаются также по умолчанию, поскольку код, полученный из ASIP Designer, полностью соответствует стандартам HDL, SystemC и поддерживает интерфейсы JTAG.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Системы, построенные на базе ASIP Designer c мощным SDK, совмещают в себе программируемость на C / C++ с мощностью и производительностью специализированного оборудования. Продуктовые линейки, созданные на основе ASIP, обычно обладают гибкостью, которая позволяет удовлетворить требования различных сегментов рынка, используя одни и те же продукты. Кроме того, они хорошо себя зарекомендовали в проектах, где используется программно-функциональная верификация, а также в случае, когда необходимо внесение различных модификаций с минимально возможными задержками реализации конечного продукта.
ЛИТЕРАТУРА
ASIP Designer: Design Tool for Application-Specific Instruction-Set Processors Datasheet
ASIP Designer: Verification of the Tmicro Core
ASIP Designer: Implementing Interrupts on the Tmicro Core
ASIP Designer: Risk manual
ASIP Designer: Go User Manual
https://www.synopsys.com/verification/emulation.html
https://www.synopsys.com/verification/prototyping/haps.html
Willems M., Cox S. Softening Hardware: Using Application-Specific Processors to Optimize Modern SoC Designs // Synopsys white paper.
ASIP Designer: Chess Compiler Processor Modeling Manual
ASIP Designer: Chess Compiler User Manual
ASIP Designer: Example Processor Models
Designing Application-Specific Processors for Smart Vision Systems: A SLAM Case Study // Synopsys webinar, April 2020.
https://www.synopsys.com//verification/virtual-prototyping.html
ASIP Designer: Checkers ISS Interface Manual
Т. Грёткер , С. Белоусов
В статье рассматриваются основные преимущества разработки специализированных процессоров (Application-specific instruction-set processor – ASIP) с помощью инструментов, входящих в платформу ASIP Designer от компании Synopsys, и подробно обсуждаются подходы верификации полученного процессора: проверка функциональной модели процессора, тестирование программного обеспечения и профилирование, а также верификация RTL.
ASIP Designer [1] от компании Synopsys – это уникальная программная платформа, позволяющая автоматизировать процесс разработки, оптимизации, а также верификации ASIP, обеспечивая тем самым построение эффективных каналов передачи данных, команд управления и архитектуры памяти для реализации требуемого параллелизма на уровне инструкций, данных и задач. Два подхода – Compiler-in-the-Loop и Synthesis-in-the-Loop – позволяют получить оптимальные результаты за короткое время, снижая риски и сокращая затраты на разработку СнК. Кроме того, ASIP Designer совместим с существующими сегодня на рынке системами непрерывной интеграции и верификации.
Верификация процессора на стадии проектирования требует больших временных затрат. Однако с помощью ASIP Designer можно существенно сократить время выполнения верификации за счет автоматизации и упрощения тестового окружения, а также использования динамических тестов и формальных методов проверки устройства.
Под тестируемой моделью процессора в рамках статьи понимается полный комплект средств разработки (SDK), генерируемый средствами ASIP Designer. Рассматриваемая проверка RTL включает три этапа: проверку ядра процессора, его взаимодействия с периферийными устройствами и, наконец, интеграции процессора в систему.
ВВЕДЕНИЕ В ASIP Designer
На рис. 1 представлен интерактивный процесс разработки специализированных процессоров с помощью платформы ASIP Designer.
Процесс разработки начинается с определения модели процессора, которая состоит из трех основных частей:
Система команд, специфика микроархитектуры, организация конвейера, регистры и память. Описание данных характеристик выполняется в виде nML-кода вместе с заголовочным файлом, в котором определяются примитивы типов данных и функций.
Примитивы с определенной функциональностью и временны´ми характеристиками, описанные с помощью C-кода, называемого PDG, который нужен для проведения моделирования с точностью до такта.
Заголовочный файл компилятора, который содержит отображение типов и операторов C / C++ из алгоритмического исходного кода в примитивы процессорного ядра.
На основе данной модели процессора генерируется SDK (рис. 1 (1)), компилятор C / C++, ассемблер и компоновщик. Помимо этого, создается высокоуровневая модель ISS, отладчик и профилировщик для оценки разработанного кода и используемых в нем алгоритмов.
Обычно процесс работы с ASIP Designer начинается с запуска примеров моделей процессоров, доступных в платформе. При этом благодаря автоматической генерации SDK можно сразу же начинать исследование архитектуры (рис. 1 (2)). Корректность работы модели процессора оценивается путем профилирования программ, реализующих ключевые для него алгоритмы.
Генерация аппаратного представления VHDL / Verilog (рис. 1 (3)) происходит на основе nML / PDG. После этого применяется подход Synthesis-in-the-Loop, который позволяет автоматически получать информацию о площади, быстродействии и потребляемой мощности будущего устройства. ISS и RTL, полученные из одного инструмента, по сути своей являются эквивалентным представлением одного и того же процессора.
ФАЗЫ ВЕРИФИКАЦИИ
Далее мы рассмотрим три основных этапа верификации, показанные на рис. 1.
На первом этапе – верификации модели процессора – проверяется функциональная корректность процессорного ядра для генерации на его основе пакета SDK.
Второй этап – верификация исходного кода – связан с исходным кодом приложения, которое используется для оптимизации архитектуры процессора. Иными словами, архитектура процессора выбирается на основе ПО, которое будет на нем выполняться. Этот подход иначе называют Compiler-in-the-Loop.
И последним этапом является верификация RTL-кода. Основная задача этого типа верификации – проверить, что полученный средствами ASIP Designer код соответствует исходным требованиям спецификации. В первую очередь необходимо проверить, что RTL-код функционально соответствует модели процессора, его периферия работает без ошибок и он правильно интегрирован в систему.
Верификация модели процессора
Статическая верификация
Статические проверки процессорного ядра выполняются непосредственно на этапе генерации SDK. Они включают в себя проверки на связанность (ограничения на передачу данных между переменными различных типов), аппаратные конфликты (одновременное использование одной области памяти двумя параллельными вычислительными потоками), проблемы с конвейером, неиспользуемые инструкции и т. д.
Результатом статических проверок является отчет с диагностическими данными. На рис. 2 приведены два таких отчета. Отчет по связанности показывает, для каких областей памяти данные могут быть перемещены, а для каких нет. В отчете о проблемах с конвейером указано, какие проблемы в нем присутствуют. Компилятор C, встроенный в ASIP Designer, может устранить указанные проблемы в ПО, как только разработчик добавит соответствующие правила в nML-модели процессора.
Кроме того, автоматически генерируются однострочные тестовые программы на C для проверки полноценной поддержки этого языка. На рис. 3 продемонстрированы примеры однострочных тестов, сгенерированных средствами IDE ASIP Designer.
Динамические тесты: сравнение с эталонным исполнением инструкций
Динамические тесты играют ключевую роль в процессе верификации в платформе ASIP Designer. В пакете ASIP Designer доступны примеры готовых процессоров с набором таких тестов.
Стандартная практика проверки подразумевает разработку на основе C базовых повторно используемых программных тестов. Эти программы должны использовать специфичные для конкретных применений типы данных и операции. Для этих целей ASIP Designer создает стандартный файл заголовка с описанными классами C++ и перегружаемыми операциями.
Программы тестов, написанные на C, изначально запускаются на хостовом процессоре, например x86, и компилируются с использованием сторонних компиляторов C++, таких как g++ или VisualC++. В дальнейшем результаты таких тестов могут использоваться в качестве эталонных. Например, возможно их применение для проверки потактовой модели процессора или финальной версии RTL-кода с использованием HDL-симуляторов.
Основной набор динамических тестов, который рекомендуется для проверки модели процессора, включает следующее:
a) Юнит-тесты. Независимо от того, разрабатывается ли процессор с нуля или модифицируется существующий, любые изменения в ISA или микроархитектуре должны быть покрыты соответствующими тестами. Это включает в себя проверку работы арифметических операций, инструкций записи-чтения, переходов, режимов адресации и работы конвейера. Нужно отметить, что тесты должны включать в себя проверку функциональности в пограничных условиях. Кроме того, в случае любого изменения архитектуры новые или измененные функции должны сразу же покрываться соответствующими юнит-тестами.
б) Программно-функциональное тестирование. Преимуществом использования платформы ASIP Designer является ранняя и непрерывная верификация с использованием программных тестов. Возможность положиться на эффективный компилятор C / C++ обеспечивает более эффективную разработку тестового окружения в сравнении с тестами на базе низкоуровневых языков.
Тесты в целом можно использовать повторно без существенных изменений, даже если ISA или микроархитектура подвергаются изменениям: исполняемый код проверяет не только работу процессора, но и корректность работы компилятора, и самого по себе программного обеспечения.
В качестве примера в таблице представлены программные тесты, которые компания Synopsys поставляет вместе с учебной моделью ASIP Tmicro.
в) Тестирование компилятора. Тестирование компилятора по сути представляет собой проверку целостности и корректности nML-модели и заголовочного файла. Существует четыре способа проверки компилятора:
Процессорно-специфичные однострочные программы проверяют, что все ресурсы для компиляции C доступны.
Юнит-тесты, полученные для заголовочного файла, проверяют отображение и оптимизацию конструкций языка C / C++.
Одинаковые результаты, полученные при исполнении тестов на хостовом процессоре (например, x86) и на программной модели ASIP доказывают эквивалентность GCC или иного применяемого компилятора и специализированного компилятора ASIP.
Непрерывное увеличение числа специфических тестов обеспечивает покрытие ими всё большей функциональности.
г) Тестирование прерываний. Необходимо, чтобы модель процессора обрабатывала прерывания корректно. Помимо соответствующих юнит-тестов, рекомендуется также перезапускать обычные программные тесты с включенными прерываниями. Время их срабатывания необходимо в данном случае указывать случайным или псевдослучайным.
Самый простой способ сделать это – добавить генератор импульсов в PDG-код модели процессора, как показано в примерах применения Tmicro [2, 3].
Верификация исходного кода
При оптимизации архитектуры с помощью ASIP Designer обычно используют подход Compiler-in-the-Loop, который подразумевает компиляцию и профилирование ядер приложений, описанных на C / C++. Поскольку архитектурные изменения кодируются в nML / PDG-модели процессора, они обычно идут рука об руку с модификацией исходного кода приложения. Чтобы обеспечить целостность проекта, каждое изменение кода должно быть проверено как можно раньше в среде непрерывной интеграции (CI), то есть каждое изменение в исходном коде сначала исполняется на хостовом процессоре и в ISS, после чего результаты этих двух проверок сравниваются. Это мы и определяем как верификацию исходного кода.
Рассмотрим пример трансформации исходного кода: введение специфичных для приложения типов данных и операций, векторизация, трансформация циклов для оптимизации использования памяти, преобразование потока управления, чтобы предоставить компилятору больше параллелизма. На рис. 4 представлено, как такая трансформация исходного кода помогает улучшить быстродействие при разработке архитектуры средствами ASIP Designer.
По оси абсцисс на рис. 4 расположены даты итеративного изменения кода, по оси ординат – количество тактов на выполнение задачи.
Верификация RTL-кода
Основные инструменты
Для обеспечения непрерывного маршрута, построенного на базе SystemVerilog и совместимого с различными компонентами UVM, рекомендуются четыре основные технологии:
Повторное использование как можно большего количества программно-функциональных тестов.
Генерация случайных последовательностей инструкций с помощью инструмента Risk [4].
Конфигурируемый SystemVerilog-код, включающий в себя тестовое окружение, классы для последующей генерации случайных последовательностей импульсов и групп покрытия для ISA.
Интерфейсы между ASIP Designer и виртуальными / аппаратными системами прототипирования.
RTL-верификация
Выше мы говорили о росте количества программных тестов от инструкций, алгоритмических ядер и до конечного приложения. Точно также в RTL-верификации в первую очередь нужно начать проверку с процессорного ядра. Далее увеличивается периметр проверки и добавляется различная периферия. В процессе такого масштабирования мы приходим к законченной системе, в которой присутствует разработанный средствами ASIP Designer процессор.
Такое разделение устройства на подблоки для проверки называется кольцами верификации (рис. 5).
Процессорное ядро
В первую очередь мы должны обеспечить корректность имплементации процессорного ISA, и нашей ключевой метрикой будут степень покрытия инструкций сгенерированными SystemVerilog-мониторами плюс построчное покрытие RTL-кода. Также нужно проверить эквивалентность ISS и RTL с точки зрения функциональности и временны´х характеристик.
Платформа для такой проверки автоматически генерируется инструментом ASIP Designer RTL generator [5]. Она включает в себя генераторы синхросигналов, сигналов сброса, а также модели памяти для программ и данных. Стандартные тестовые программы могут быть запущены на такой платформе «из коробки» без дополнительной их модификации. Кроме того, процесс сравнения на эквивалентность ISS и RTL в ASIP Designer выполняется автоматически.
Разработка корректных, значимых тестовых программ, которые бы обеспечивали хорошую степень покрытия, является задачей, требующей для большинства процессоров больших временных затрат. В ASIP Designer данная проблема решается с помощью специального инструмента Risk, представляющего собой генератор псевдослучайных низкоуровневых тестовых программ (рис. 6).
Примеры, доступные в инструменте Risk, содержат в себе арифметические проверки, проверки перемещения данных, а также различные варианты проверок управляющих операций [2].
Необходимо разделять два типа собираемых метрик покрытия: те, которые отвечают за сравнение RTL и ISS, и те, которые отвечают на вопрос: «Действительно ли процессор выполняет требуемые операции?». Тестовые программы, которые генерирует Risk, в первую очередь предоставляют первую метрику. Если процессорная модель была дополнена утверждениями SystemVerilog, то тесты, полученные из Risk, могут также использоваться для проверки функциональности и быстродействия процессора или периферии.
Создание SystemVerilog-мониторов может конфигурироваться под конкретные нужды проекта. На рис. 7 показан пример, показывающий, как ASIP Designer генерирует SystemVerilog-код для перекрестного покрытия тестами различных типов инструкций и двух крайних левых битов регистра MC.
Периферия
В ASIP Designer присутствует механизм для автоматической генерации случайной последовательности инструкций, представляющих собой специальные SystemVerilog-классы. Они же могут использоваться для проверки периферийных блоков.
Со смещением фокуса верификации с ядра, полученного средствами ASIP Designer, в сторону процессорной подсистемы необходимы дополнительные генераторы сигналов и блоки проверки. Обычно это подразумевает использование сторонних верификационных блоков (VIP) для проверки блоков памяти и коммуникационных каналов.
На рис. 8 показан SystemVerilog-класс, полученный для очень простой модели процессора. Этот класс представляет собой высокоуровневое представление ISA, содержащее поле enum, необходимое для инструкции. Методы get_image() и get_syntax() обеспечивают доступ к инструкциям и их синтаксическим представлениям.
Интеграция системы
Когда речь идет о проверке интеграции на уровне системы, необходимо учитывать также условия загрузки, поскольку различные процессоры могут считывать программный код ASIP из флеш-памяти, проверять его, декомпозировать перед тем, как наше ASIP-ядро начнет работать. Часто также следует учитывать DMA-контроллеры, которые переносят данные из памяти DDR в SRAM-память системы. Помимо этого, в системе могут присутствовать блоки управления питанием (PMU), контроллеры сенсоров, с которыми необходимо выполнять итерации. На этом этапе сложность устройства многократно возрастает, что влечет за собой также усложнение тестового окружения. Это в свою очередь оказывает негативное влияние на быстродействие средств моделирования RTL-кода.
Быстродействующие системы, такие как аппаратные эмуляторы [6], системы прототипирования, построенные на базе FPGA [7], или виртуальные прототипы позволяют проводить верификацию на уровне системы. ASIP Designer поддерживает все три метода, которые указаны выше, за счет поддержки аппаратных платформ ZeBu, HAPS и системы виртуального прототипирования Virtualizer. ASIP Designer автоматически генерирует необходимые скрипты, программный код и окружение для них. Прототипы от сторонних производителей поддерживаются также по умолчанию, поскольку код, полученный из ASIP Designer, полностью соответствует стандартам HDL, SystemC и поддерживает интерфейсы JTAG.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Системы, построенные на базе ASIP Designer c мощным SDK, совмещают в себе программируемость на C / C++ с мощностью и производительностью специализированного оборудования. Продуктовые линейки, созданные на основе ASIP, обычно обладают гибкостью, которая позволяет удовлетворить требования различных сегментов рынка, используя одни и те же продукты. Кроме того, они хорошо себя зарекомендовали в проектах, где используется программно-функциональная верификация, а также в случае, когда необходимо внесение различных модификаций с минимально возможными задержками реализации конечного продукта.
ЛИТЕРАТУРА
ASIP Designer: Design Tool for Application-Specific Instruction-Set Processors Datasheet
ASIP Designer: Verification of the Tmicro Core
ASIP Designer: Implementing Interrupts on the Tmicro Core
ASIP Designer: Risk manual
ASIP Designer: Go User Manual
https://www.synopsys.com/verification/emulation.html
https://www.synopsys.com/verification/prototyping/haps.html
Willems M., Cox S. Softening Hardware: Using Application-Specific Processors to Optimize Modern SoC Designs // Synopsys white paper.
ASIP Designer: Chess Compiler Processor Modeling Manual
ASIP Designer: Chess Compiler User Manual
ASIP Designer: Example Processor Models
Designing Application-Specific Processors for Smart Vision Systems: A SLAM Case Study // Synopsys webinar, April 2020.
https://www.synopsys.com//verification/virtual-prototyping.html
ASIP Designer: Checkers ISS Interface Manual
Отзывы читателей
