解鎖SoC “調(diào)試”挑戰(zhàn)，開啟高效原型驗證之路

由于芯片設(shè)計復(fù)雜度的提升、集成規(guī)模的擴(kuò)大，以及產(chǎn)品上市時間要求的縮短，使得設(shè)計驗證變得更加困難。特別是在多FPGA環(huán)境中，設(shè)計調(diào)試和驗證的復(fù)雜性進(jìn)一步增加，傳統(tǒng)的調(diào)試手段難以滿足對高性能、高效率的需求。因此，高效的調(diào)試（Debugging）手段在原型驗證中顯得尤為重要。今天，我們將探討設(shè)計調(diào)試的常見方法，涵蓋從簡單到復(fù)雜的多種調(diào)試。

1. 原型驗證為什么重要？隨著大規(guī)模集成電路設(shè)計復(fù)雜性的增加，芯片驗證面臨著巨大的資金和時間挑戰(zhàn)。早期開發(fā)者只能通過模擬或流片來驗證設(shè)計，耗時且成本高。原型驗證通過在流片前盡可能還原芯片的實際使用場景，確保功能模塊的可靠性和穩(wěn)定性，同時評估性能。這不僅能縮短芯片上市時間，還可以向客戶演示產(chǎn)品并提前預(yù)售。此外，原型驗證還可以顯著降低成本。在通過功能驗證后，原型驗證使得驅(qū)動開發(fā)能夠提前展開，無需等待芯片流片（Tape Out）。當(dāng)芯片回片后，應(yīng)用程序可以基于原型驗證時開發(fā)的驅(qū)動進(jìn)行簡單適配，迅速應(yīng)用于SoC上，進(jìn)一步縮短上市周期。

與軟件仿真和硬件仿真相比，原型驗證的最大優(yōu)勢在于其高性能。當(dāng)前有多種驗證方法可供選擇，如軟件仿真、硬件仿真和原型驗證。三者在芯片前端設(shè)計的功能驗證階段發(fā)揮著重要作用。相比之下，軟件仿真操作簡便，但速度較慢，適合小型設(shè)計和模塊級驗證；硬件仿真容量大，擴(kuò)展性好，調(diào)試能力強(qiáng)，適合大型設(shè)計的模塊、芯片級和系統(tǒng)級驗證；而原型驗證則運行速度快，但調(diào)試能力相對較弱。如今許多用戶依賴FPGA芯片供應(yīng)商提供的調(diào)試工具，但這些調(diào)試手段相對單一且有限。接下來，我們將詳細(xì)介紹如何應(yīng)對這些調(diào)試挑戰(zhàn)，并介紹思爾芯在這一領(lǐng)域的調(diào)試方案。

在調(diào)試與觀測工具方面，思爾芯的芯神瞳 Prodigy原型驗證解決方案就提供了全面且靈活的調(diào)試手段，配備了實時控制軟件（Player Pro-RunTime）、設(shè)計調(diào)試軟件（Player Pro-DebugTime）、深度調(diào)試套件 Multi-Debug Module（MDM）、協(xié)同仿真軟件ProtoBridge等完整工具鏈，極大提升了用戶效率。這些功能的增加主要是由于思爾芯面向廣泛的客戶需求，而這是其他廠商可能未能提供的。

2. 設(shè)計調(diào)試有哪些手段？
在原型驗證中，調(diào)試的核心任務(wù)是定位和解決設(shè)計中的故障，以確保系統(tǒng)功能的正確性。特別是在大規(guī)模復(fù)雜的SoC設(shè)計原型驗證過程中，工程師需要確保設(shè)計中的問題是可調(diào)試的，最大程度地減少開發(fā)過程中花費在調(diào)試上的時間。通常，用戶將設(shè)計下載到FPGA后，第一次運行時總會遇到各種失敗情況。這些失敗的原因可能是FPGA原型的網(wǎng)絡(luò)不正確、設(shè)計本身存在問題，或是設(shè)計在編譯過程中引入的錯誤（如由于設(shè)計分割和引腳復(fù)用引起的時序錯誤）。因此，開發(fā)人員需要有效的軟件調(diào)試和觀測工具，來確認(rèn)硬件是否正常運行，所有功能模塊是否按照預(yù)期工作，以快速定位和解決問題。這就需要借助外部邏輯分析儀或內(nèi)嵌邏輯分析儀來探測故障的根源。
目前，常見的設(shè)計調(diào)試手段包括：基本I/O、AXI總線事務(wù)、信號級調(diào)試以及基于協(xié)議的連接等。多數(shù)用戶還習(xí)慣于使用FPGA廠商提供的內(nèi)嵌邏輯分析儀，進(jìn)行原型驗證系統(tǒng)上板測試階段的調(diào)試。然而，這些工具在面對復(fù)雜的多FPGA設(shè)計，即大規(guī)模復(fù)雜設(shè)計時，可能會面臨資源消耗過大以及管理難度較高的問題。
思爾芯為工程師們提供了一套全面且靈活的調(diào)試解決方案，涵蓋從簡單到復(fù)雜的多種調(diào)試方法，滿足不同客戶在原型驗證中的多樣化需求，確保調(diào)試過程順利進(jìn)行。

• 基本I/O調(diào)試（Basic I/Os）

FPGA廠商在其軟件生態(tài)系統(tǒng)中也提供了多種信號級探測工具，常見的解決方案包括VIO IP核、信號源和探針編輯器，這些工具通常通過JTAG進(jìn)行監(jiān)控和驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)。而思爾芯的I/O調(diào)試功能更加豐富，不僅在原型驗證系統(tǒng)上集成了多個基本的I/O接口，如按鍵、DIP開關(guān)、GPIO和UART等，使設(shè)計中的交互操作更加直觀便捷。此外，思爾芯的Player Pro軟件通過虛擬接口增強(qiáng)了遠(yuǎn)程診斷能力，使調(diào)試過程更加高效便捷。

• 總線事務(wù)調(diào)試（Bus Transaction Debugging）

在復(fù)雜SoC設(shè)計中，AXI總線事務(wù)調(diào)試是一種非常有效的手段，特別是在AXI已成為主流協(xié)議的設(shè)計中。思爾芯的ProtoBridge解決方案通過PCIe提供約4GB/s的高帶寬，實現(xiàn)AXI事務(wù)的高性能橋接。該解決方案包括一個AXI橋接的RTL接口，便于與測試設(shè)計連接，同時還提供PCIe設(shè)備驅(qū)動程序和API，支持開發(fā)基于軟件的激勵，很適合軟硬件協(xié)同開發(fā)。此外，思爾芯的原型驗證已內(nèi)建大約10Mbps的以太網(wǎng)調(diào)試，支持設(shè)計中存儲器映射AXI從設(shè)備的快速讀寫訪問，可以滿足低帶寬的AXI調(diào)試需求。

• 信號級調(diào)試（Signal Level Debugging）

信號級調(diào)試是原型驗證中最基礎(chǔ)且常用的調(diào)試方法，主要通過探測設(shè)計中的內(nèi)部信號來診斷問題。思爾芯的Player Pro軟件在此領(lǐng)域表現(xiàn)尤為出色，能夠幫助設(shè)計人員輕松將內(nèi)部信號引出并分配給I/O，從而更有效地進(jìn)行調(diào)試。思爾芯還提供了多種擴(kuò)展卡，方便用戶進(jìn)行針腳連接、3.3V電壓轉(zhuǎn)換，此外還增加了額外的按鈕和開關(guān)接口以及外部邏輯分析儀的連接接口，進(jìn)一步提高了調(diào)試的靈活性和效率。

• 基于協(xié)議的調(diào)試（In-System Protocol Debugging）

當(dāng)FPGA原型與真實世界的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互時，基于協(xié)議的調(diào)試尤為重要。思爾芯提供了超過90種現(xiàn)成的擴(kuò)展卡和參考設(shè)計，幫助用戶實現(xiàn)多種協(xié)議的系統(tǒng)內(nèi)測試。如果用戶有更為特殊的需求，思爾芯還可以提供定制化的解決方案，以優(yōu)化系統(tǒng)級的測試和調(diào)試，確保用戶的原型驗證過程順利完成。
強(qiáng)大的調(diào)試工具包括邏輯分析儀、協(xié)議分析儀和實時監(jiān)控工具等。這些工具必須能夠與原型驗證平臺無縫集成，提供實時的調(diào)試信息和可視化的數(shù)據(jù)分析功能。此外，還需要支持遠(yuǎn)程調(diào)試，以便在不同地理位置的團(tuán)隊之間進(jìn)行協(xié)作。主要挑戰(zhàn)在于如何在不影響系統(tǒng)性能的情況下，提供詳盡的調(diào)試信息，以及設(shè)計直觀高效的調(diào)試界面。確保這些工具能夠快速、準(zhǔn)確地反饋系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，以便開發(fā)人員及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在問題。通過這些多樣化的調(diào)試方法，思爾芯不僅幫助用戶在原型驗證中快速定位問題，還極大地提升了調(diào)試效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，確保設(shè)計能夠順利進(jìn)入下一個開發(fā)階段。

• 深度邏輯分析調(diào)試方案

FPGA廠商的嵌入式邏輯分析儀（如SignalTap和ChipScope）通常用于在FPGA的片上RAM塊中采樣和存儲信號，隨后通過JTAG讀取這些信號。目前，大多數(shù)用戶已經(jīng)習(xí)慣使用FPGA廠商提供的嵌入式邏輯分析儀（ILA）來進(jìn)行單顆FPGA的原型驗證系統(tǒng)調(diào)試。
然而，對于需要進(jìn)行深度調(diào)試或多FPGA級聯(lián)的用戶來說，常遇到的問題是需要更多內(nèi)存來存儲信號，以及跨FPGA的調(diào)試需求。由于FPGA內(nèi)部資源有限，且多FPGA級聯(lián)的原型驗證系統(tǒng)規(guī)模龐大，多個模塊通常分散在不同的FPGA中。此時就需要具備cross-trigger功能，即當(dāng)某顆FPGA中的調(diào)試模塊觸發(fā)時，能夠同時抓取多顆FPGA中的調(diào)試模塊的trace數(shù)據(jù)。一些FPGA廠商提供的ILA可以實現(xiàn)同一顆FPGA內(nèi)不同的時鐘域以及不同F(xiàn)PGA之間的ILA內(nèi)核的交叉觸發(fā)。
為了更好地支持多FPGA的信號級探測，思爾芯提供了多 FPGA 并發(fā)深度調(diào)試方案。最新的MDM Pro支持同時對多達(dá)8個FPGA進(jìn)行并發(fā)探測，并具備多FPGA觸發(fā)功能。MDM Pro配備了64GB的內(nèi)置DDR4內(nèi)存，能夠?qū)崿F(xiàn)深度信號跟蹤。它可以捕獲多達(dá)16K條信號，分為8組，每組包含2K個探針，而無需重新編譯FPGA。這一解決方案通過將MDM Pro預(yù)構(gòu)建到我們的Quad 10M和Quad 19P邏輯系統(tǒng)中，提升了生產(chǎn)力。MDM Pro的觸發(fā)設(shè)置設(shè)計直觀，且與FPGA廠商工具中的觸發(fā)設(shè)置非常相似，確保了工程師在使用時能夠順暢過渡。
MDM Pro具備靈活性，能夠適應(yīng)不同的設(shè)計流程偏好，支持IP模式和編譯模式兩種流程。在IP模式下，設(shè)計人員可以直接在RTL中實例化MDM客戶端，以連接他們希望捕獲的信號?；蛘?，設(shè)計人員也可以通過編譯模式，使用Player Pro指定需要捕獲的信號，從而提供了一種高效且多樣化的調(diào)試方式

。3. 寫在最后
在芯片設(shè)計過程中，原型驗證在性能上顯著優(yōu)于軟件仿真和硬件仿真，盡管在可視性方面稍顯不足。這促使了商用原型驗證解決方案對高效調(diào)試手段的深度需求與重要性，以最大化原型驗證的優(yōu)勢。作為國內(nèi)最早推出原型驗證工具的EDA供應(yīng)商，思爾芯一直以來通過其全面且靈活的調(diào)試手段提升原型驗證的生產(chǎn)力和效率。由于在大規(guī)模復(fù)雜 SoC 設(shè)計原型驗證過程中，可用的可視性往往局限于單個FPGA，這使得跨多個FPGA映射的設(shè)計使調(diào)試可見性變得更加困難。思爾芯高效且多樣化的調(diào)試方式，適用于從簡單到復(fù)雜的多種應(yīng)用場景，尤其應(yīng)對多FPGA環(huán)境中的復(fù)雜挑戰(zhàn)，并在工程師加速設(shè)計驗證和縮短上市時間方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。