【導(dǎo)讀】當(dāng)產(chǎn)品的設(shè)計涉及到更多的協(xié)議和數(shù)十億門設(shè)計，還要最大程度降低能耗，軟件也變得日益繁多復(fù)雜，對于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，還存在數(shù)百個交換機(jī)和路由器端口，因此，可擴(kuò)展的虛擬硬件仿真是必須的。
我們需要進(jìn)行大量驗證，來設(shè)計用于組成物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)。這些都是非常復(fù)雜的大規(guī)模設(shè)計。它們使用大量的軟件，而且必須滿足嚴(yán)格的低功耗要求。因此，它們需要經(jīng)過大量的驗證周期，才能得到充分的運(yùn)用和調(diào)試。
IoT 設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的五大特征對驗證工作具有重大影響。這兩種設(shè)計具有以下四大共同特征：“每顆芯片實現(xiàn)更多的協(xié)議”會更好、設(shè)計規(guī)模更大且更加復(fù)雜、對低功耗的要求更高，以及更多軟件。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還面臨著第五個挑戰(zhàn)：交換機(jī)和路由器端口的數(shù)量持續(xù)增加。
圖 1.IoT 設(shè)計面臨的四大難題。
只有硬件仿真才能夠提供足夠的容量、速度和功能，讓您能夠高效地完成大量驗證?，F(xiàn)在，我們還需要認(rèn)真考慮應(yīng)該如何使用硬件仿真。傳統(tǒng)的電路內(nèi)仿真 (ICE)不僅無法支持迅速增長的互聯(lián)網(wǎng)芯片端口數(shù)的需求，對于測試IoT設(shè)備上的眾多接口協(xié)議也不實用。我們需要舍棄傳統(tǒng)的電路內(nèi)仿真，而轉(zhuǎn)向以軟件為中心的虛擬硬件仿真。
首先，我們將討論這些挑戰(zhàn)，然后再介紹它們的解決方案。
IoT 和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的主要挑戰(zhàn)
1.每個芯片需承載更多協(xié)議
由于更多應(yīng)用程序和功能需要同時連接到網(wǎng)絡(luò)，因此每個設(shè)備所使用的協(xié)議數(shù)量在不斷增加。例如，手機(jī)需要連接到云存儲空間、播放流媒體格式的音視頻、運(yùn)行各種應(yīng)用程序以及撥打接聽電話和收發(fā)文本信息。
所有這些協(xié)議本身可能非常復(fù)雜。但因為在不同協(xié)議之間以及它們與設(shè)計的其余部分之間存在如此多的通信和交互，因此它們會呈現(xiàn)出許多棘手的需要檢查甚至調(diào)試的場景和邊界情況。
將所有這些協(xié)議都置于單個 SoC 上，將會大幅增加硬件復(fù)雜度。芯片的內(nèi)外部通信協(xié)議越多，驗證設(shè)計所需的驗證周期就越長。
圖 2.IoT 提高了每顆芯片的協(xié)議使用要求。
2.設(shè)計規(guī)模更大
設(shè)計規(guī)模更大的協(xié)議集成會增加復(fù)雜度和尺寸。此外，各種功能、多處理器和嵌入式軟件也會增加其復(fù)雜度和尺寸。消費(fèi)者希望產(chǎn)品能夠處理更多功能。這些設(shè)備必須提供集成的數(shù)字、音頻、語音和數(shù)據(jù)功能，且始終保持運(yùn)行和連接狀態(tài)。
集成的功能數(shù)量越多，運(yùn)行的并發(fā)性也就越高。這使得驗證系統(tǒng)變得越發(fā)困難，因為一個系統(tǒng)可能包含數(shù)十億門。因此，我們必須重新考慮驗證技術(shù)，這是不言而喻的。
圖 3.更多集成、多功能、多處理器、嵌入式軟件提高了復(fù)雜性。
3.功耗更低
設(shè)計決策需要考慮到功耗、面積和性能。IoT 設(shè)計尤其重視功耗。這使得系統(tǒng)級功耗分析和管理成為一項重要工作。
在設(shè)計流程早期提供精確功耗分析的驗證解決方案，有助于確保您的設(shè)計決策能夠顯著降低能耗。此類分析的準(zhǔn)確度取決于測量會最終在SoC上運(yùn)行的特定應(yīng)用場景的功耗。這正是傳統(tǒng)基于測試平臺的驗證方法的不足之處。我們需要一種更好的方法，來提供符合 IoT 設(shè)計人員需求的分析。
圖 4.數(shù)據(jù)軟件仿真測試平臺無法捕獲精確的功耗測量數(shù)據(jù)。
4.更高端的軟件內(nèi)容
在軟件模擬器上運(yùn)行傳統(tǒng)軟件驗證正逐漸被淘汰。軟件仿真進(jìn)展太慢，無法對運(yùn)行數(shù)十億周期或數(shù)據(jù)幀的 SoC 執(zhí)行充分的壓力測試。如果設(shè)計人員完全或很大程度地依賴軟件仿真，他們就不得不在功能方面做出妥協(xié)。他們不能完全理解系統(tǒng)或 SoC 中究竟發(fā)生了什么情況，因為他們無法生成和隔離可能在實際應(yīng)用中導(dǎo)致問題的邊界情況。
同樣，較多的軟件內(nèi)容會大大增加 SoC 的開發(fā)成本，因為根據(jù)經(jīng)驗法則，軟件要求為每位硬件工程師配備五到十名軟件工程師。這些軟件工程師需要盡可能高效地執(zhí)行相關(guān)驗證。
您的編程團(tuán)隊需要一種能夠提升 OS 性能的驗證解決方案，并在硬件原型可用之前于目標(biāo)硬件上運(yùn)行軟件應(yīng)用程序。并且該解決方案還需具備執(zhí)行全面驗證軟件所需的數(shù)十億周期的容量和速度。
圖 5.增加軟件內(nèi)容可推動 SoC 開發(fā)和成本節(jié)約。
5.增加網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器活動
IoT 正在不斷推動網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，因為消費(fèi)者需要更多的帶寬、更加豐富的多媒體，以及更多視頻流和音頻流。因此，網(wǎng)絡(luò)公司必須提供更高的帶寬、更優(yōu)異的計算性能以及更多專注于內(nèi)容的應(yīng)用程序。業(yè)界正在擴(kuò)展和/或推出以太網(wǎng)和其他網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)以滿足這些需求，并通過更快速的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和更多端口來改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
例如，為滿足需求而產(chǎn)生的大量網(wǎng)絡(luò)配置迫使較新網(wǎng)絡(luò)芯片的開發(fā)人員不得不將數(shù)以千計的以太網(wǎng)端口置于單個 SoC 上。如此一來，在一個硬件測試環(huán)境中為所有這些端口提供連接就變得幾乎不可能。因此，網(wǎng)絡(luò)公司需要在軟件中采取某種方式來實施他們的設(shè)計。
針對 IoT 網(wǎng)絡(luò)以硬件仿真為主的驗證
當(dāng)今的硬件和軟件需要大量的驗證。產(chǎn)品開發(fā)工作不會變得更加簡單，而只會變得日益困難。要記住，開發(fā)人員需要在不斷縮短的時間期限內(nèi)開發(fā)出產(chǎn)品，這也會加大開發(fā)難度。那么，硬件仿真如何幫助您應(yīng)對這些壓力呢？為什么硬件仿真會成為驗證過程的一個“必需”環(huán)節(jié)？
Mentor Graphics 仿真團(tuán)隊認(rèn)為，改進(jìn)復(fù)雜 IoT 和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)驗證的最佳方式是使用 Veloce 平臺來重復(fù) IoT 公司進(jìn)行設(shè)計的過程。這種方法包括斷開運(yùn)行于手機(jī)和其他產(chǎn)品上的應(yīng)用程序與硬件和操作系統(tǒng)間的關(guān)系。此方法是可行的，因為最終用戶往往比較關(guān)注自己想要使用的應(yīng)用程序，并希望這些應(yīng)用程序可以在其所擁有的任何操作系統(tǒng)或設(shè)備上都可以運(yùn)行。
因此，Veloce 硬件仿真平臺經(jīng)過量身定制，讓設(shè)計人員能夠使用 Veloce 應(yīng)用程序以相同方式測試設(shè)計。驗證應(yīng)用程序（例如覆蓋范圍、軟件調(diào)試、低功耗等）獨(dú)立于操作系統(tǒng) (OS)。因此，Veloce OS 為 Veloce 驗證應(yīng)用程序以及內(nèi)部或第三方開發(fā)的應(yīng)用程序提供了一個仿真器界面。由于 Veloce OS 與任何版本或任何型號的 Veloce 仿真硬件系列都兼容，因此用戶可從一個平臺無縫遷移到下一代平臺，這將會保護(hù)客戶的投資，并在他們的性能和容量需求增加時提供可擴(kuò)展性。
圖 6.Veloce OS 和硬件仿真應(yīng)用程序。
此外，Veloce OS 還支持企業(yè)服務(wù)器。企業(yè)服務(wù)器可使用負(fù)載分享管理軟件優(yōu)化資源使用量，并提供作業(yè)隊列和優(yōu)先級排序。利用企業(yè)服務(wù)器，用戶可以將工作從其桌面提交到位于全球任何地方的數(shù)據(jù)中心的 Veloce 硬件仿真資源中。它支持為多個項目、團(tuán)隊、用戶和使用模式并行使用 Veloce 硬件仿真。他可以以最有效的方式將單個或多個項目分配到某個位置，以確保最高效地利用 Veloce 資源。因此，全球用戶可以隨時隨地高效地訪問易于數(shù)據(jù)中心管理的硬件仿真資源。
但是，如果執(zhí)行設(shè)計所需的外圍設(shè)備和協(xié)議本身并非基于軟件，那么所有這些操作都將是徒勞。這正是 Mentor 開發(fā) VirtuaLAB 的原因所在。VirtuaLAB 已經(jīng)改變了執(zhí)行基于 SoC 的硬件仿真的方式，并為企業(yè)服務(wù)器功能做好準(zhǔn)備，將實驗室環(huán)境轉(zhuǎn)變成只需硬件仿真器和工作站來執(zhí)行協(xié)議模型軟件版本的數(shù)據(jù)中心。由于 VirtuaLAB 使用與 ICE 硬件解決方案相同的協(xié)議 IP 和軟件堆棧，因此可以利用軟件的靈活性和可重復(fù)結(jié)果，提供與基于傳統(tǒng) ICE 驗證相同的功能，進(jìn)而為用戶提供硬件準(zhǔn)確度。
圖 7.VirtuaLAB 企業(yè)服務(wù)器為多個用戶和項目提供全天候的全球訪問。
但它的優(yōu)點(diǎn)不止于此。與 ICE 相比，它具有實實在在的優(yōu)勢：
您可以獲得更高的可靠性，因為硬件仿真系統(tǒng)消除了常會引發(fā)故障的外部硬件和布纜。
利用高效的多用戶環(huán)境，您可以提高效率，并能通過只改變其編譯參數(shù)（而不是換入/換出混亂不堪的外部硬件底板和纜線）遠(yuǎn)程重新配置 VirtuaLAB 模型。
您可以部署可靠、低成本的工作站，用于執(zhí)行軟件模型，而無需連接硬件（包括昂貴的測試儀），從而降低總體成本。
您可將硬件仿真功能從實驗室移入數(shù)據(jù)中心，使得全球多個團(tuán)隊可以隨時隨地使用硬件仿真功能，就像一個服務(wù)器場，從而提高投資回報。
由于基于軟件的解決方案具有較高的調(diào)試可見性，而且設(shè)計人員可以訪問在物理環(huán)境中很難使用的軟件協(xié)議檢查器和分析儀，因此您可以實現(xiàn)更高質(zhì)量的結(jié)果。
讓我們一起來了解下基于 Veloce 軟件的環(huán)境如何具體地解決 IoT 和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)人員面臨的五大技術(shù)挑戰(zhàn)。
1a.協(xié)議解決方案
在某種程度上，軟件解決方案可以更加輕松地獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，因為硬件解決方案即使在使用相同的激勵時也可產(chǎn)生不同的結(jié)果（結(jié)果取決于硬件啟動時所處的狀態(tài)）。因此，在設(shè)計中為協(xié)議采用基于軟件的環(huán)境非常重要。Veloce 為多個細(xì)分市場提供協(xié)議解決方案，其中包括可提供主機(jī)/外圍設(shè)備模型、協(xié)議試驗程序/分析儀以及軟件調(diào)試接口的一系列解決方案。
2a.大規(guī)模設(shè)計
隨著設(shè)計尺寸的持續(xù)增加，硬件仿真容量也必須跟上節(jié)奏。Veloce 利用可擴(kuò)展硬件仿真平臺來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)?？蛻糇畛蹩赡軙褂?Veloce Quattro 來滿足他們的需求。Quattro 可為每個系統(tǒng)和多達(dá) 16 個用戶處理多達(dá) 2.56 億門。隨后，他們可能會使用的下一個型號是支持多達(dá) 64 個用戶的十億門 Veloce Maximus。接下來是 Double Maximus 系統(tǒng)，它具有多達(dá) 20 億門和 128 個用戶的容量。所有 Veloce 型號和版本都使用相同的 Veloce OS，運(yùn)行相同的應(yīng)用程序，并且完全向后兼容。確保硬件仿真容量的增長具有可擴(kuò)展性，并保護(hù)現(xiàn)有投資。
圖 8.Veloce 可擴(kuò)展硬件仿真平臺滿足不斷提高的容量需求。
3a.低功耗
Veloce 非常適合進(jìn)行低功耗分析，因為它能夠提供很高的精確度，這一精確度僅可在真實應(yīng)用環(huán)境下運(yùn)行設(shè)計方能得以實現(xiàn)。
Veloce 具有適當(dāng)?shù)乃俣群腿萘浚梢詥?OS 和完全運(yùn)行軟件應(yīng)用所需的數(shù)十億周期，即使在硬件具有數(shù)十億門時也如此。Mentor 創(chuàng)建了一個動態(tài)波形 API 流程，以直接與集成到 Veloce 硬件仿真器中的功率分析工具相連接。通過與行業(yè)領(lǐng)先的第三方功率分析工具（例如 ANSYS）集成，客戶可以在設(shè)計流程初期獲得準(zhǔn)確的功率數(shù)。因此，他們能夠針對功耗、區(qū)域和性能做出明智的設(shè)計決策。
這是其他硬件仿真器無法做到的，也令Veloce功耗分析應(yīng)用程序比任何其他低功耗解決方案都要準(zhǔn)確得多。
圖 9.加快的 Veloce 功耗分析流程。
4a.軟件調(diào)試
運(yùn)行于芯片上的軟件必須與硬件同時進(jìn)行驗證。硬件仿真與軟件仿真一樣易于調(diào)試，對于較大規(guī)模的設(shè)計，硬件仿真比軟件仿真要快數(shù)千甚至數(shù)百萬倍。Veloce 包含大量解決方案，以滿足軟件工程師調(diào)試其嵌入式軟件之需。
Veloce 針對使用軟件仿真的實時交互式調(diào)試提供虛擬探針。這些虛擬探針可提供與軟件調(diào)試程序的虛擬連接，無需再使用硬件 JTAG 探針。這不僅消除了 JTAG 探針的部分固有問題，還充分利用了企業(yè)服務(wù)器。然而，交互式調(diào)試會極大占據(jù)硬件加速器寶貴的機(jī)時，尤其是在軟件工程師停頓時鐘并進(jìn)行主動調(diào)試的時候。在調(diào)試時將硬件的時鐘停止對于使用硬件加速器來說是一種非常浪費(fèi)的方式。因此，交互式調(diào)試應(yīng)僅在絕對必要時方可使用。
當(dāng)交互式調(diào)試不是那么必要的時候，Veloce Codelink 可以支持離線和重放調(diào)試。Codelink 提供標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)人員工具的調(diào)試功能，包括將軟件調(diào)試程序中運(yùn)行的代碼與硬件波形中顯示的位置相關(guān)聯(lián)。通過 Codelink 軟件，硬件仿真器會生成多個數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)庫可用于離線軟件調(diào)試。這是一個非常高效的環(huán)境，可釋放硬件仿真器用于其他任務(wù)和用戶，同時又能夠離線執(zhí)行軟件調(diào)試。
圖 10.Codelink 支持多個并行用戶的離線調(diào)試。
5a.交換機(jī)和路由器端口
擁有成百上千個端口的設(shè)計需要與硬件擁有非常多的連接，而這些連接全都需要接線纜，這就使得在 ICE 環(huán)境中驗證網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器設(shè)計不再可行。此外，一個128 端口的以太網(wǎng)設(shè)計等可能具有數(shù)億甚至數(shù)十億個門的尺寸。
Veloce VirtuaLAB 可通過將大多數(shù)的測試環(huán)境轉(zhuǎn)移到軟件中來克服硬件環(huán)境的障礙，并在可運(yùn)行多達(dá)20億門設(shè)計的可擴(kuò)展 Veloce 平臺上運(yùn)行。另外，VirtuaLAB 協(xié)議解決方案還可滿足網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或路由器公司在驗證其芯片時的關(guān)鍵目標(biāo)：數(shù)據(jù)包延遲、帶寬、數(shù)據(jù)包丟失、亂序序列以及流量分析。
在典型的 VirtuaLAB 環(huán)境中，SoC 將被載入 Veloce 硬件仿真器中。硬件仿真器通過一個或多個軟件連接與工作臺上的用戶環(huán)境相連。通過這些連接，工程師能夠與在仿真中運(yùn)行的 DUT 進(jìn)行交互。對于以太網(wǎng)，工作站上運(yùn)行的 VirtuaLAB 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包生成器和監(jiān)視器 (EPGM) 應(yīng)用程序?qū)商摂M以太網(wǎng)流量。EPGM 會生成測試數(shù)據(jù)包并對以太網(wǎng)流量提供可見性、分析和用戶控制。
圖 11.VirtuaLAB EPGM 設(shè)置。
企業(yè)硬件仿真和 IoT
IoT以及它所需要的不斷增長的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施使得我們當(dāng)前面臨的驗證挑戰(zhàn)變得更加嚴(yán)峻，而且還帶來了新的挑戰(zhàn)。如果公司希望及時將產(chǎn)品推向市場，同時確保在產(chǎn)品設(shè)計中沒有出現(xiàn)錯誤，他們就需要強(qiáng)大的技術(shù)手段來幫助完成如此復(fù)雜的任務(wù)。只有硬件仿真能夠應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。
因此，通過企業(yè)驗證平臺 (EVP)，Mentor Graphics 開發(fā)了一系列以 Veloce VirtuaLAB 為核心且專門針對 IoT 的硬件仿真解決方案，。此解決方案靈活性更強(qiáng)、可見性更高，并且能夠根據(jù) IoT 和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的容量和復(fù)雜度的增加而進(jìn)行擴(kuò)展。VirtuaLAB 能夠提高工作效率并改善設(shè)計質(zhì)量。它還提供很多 ICE 傳統(tǒng)功能，但無需額外的線纜和硬件設(shè)備。
由于所有這些功能和技術(shù)都是建立在企業(yè)硬件仿真理念之上，因此所有硬件仿真資源均位于數(shù)據(jù)中心，并可由多個團(tuán)隊、用戶和項目隨時隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。VirtuaLAB 環(huán)境為所有 IoT 市場提供軟件和硬件驗證，從而為多協(xié)議、復(fù)雜設(shè)計、加速低功耗應(yīng)用程序以及硬件-軟件協(xié)同調(diào)試提供高速驗證解決方案。
圖 12.EVP 為實現(xiàn)高效驗證集成了一整套工具。
