何时使用软件仿真，何时使用硬件仿真 软件, 硬件, 世纪

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作者: LAURO RIZZATTI 博士,验证顾问

大约在 40 年前，Comprehensive Computing Systems and Services公司在市场上推出了首个名为 TEGAS 的商业数字软件仿真器，该设备主要用于测试生成和软件仿真系统。这一对门级电路进行仿真的系统由一个小型专家团队开发，而在此之前只有针对晶体管级电路进行仿真的模拟仿真软件。TEGAS 是其专用的描述语言。这种语言仅用于生成数字电路测试向量。最终，仍须通过原型板进行设计验证。

随着 20 世纪 80 年代早期计算机辅助工程 (CAE) 行业的兴起，数字软件仿真器或逻辑软件仿真也在电子工程界流行起来，成为设计验证的主要手段。到 20 世纪 90 年代末，数字软件仿真器逐渐发展演变为寄存器传输级 (RTL) 软件仿真器，这种软件仿真器支持两种流行的硬件描述语言 (HDLs)—— Verilog 和 VHDL。现有的 EDA（电子设计自动化，CAE 和 CAD 的产物）供应商用了十多年的时间在同一个工具中支持这两种语言。如今，Synopsys、Cadence 和 Mentor Graphics这三家大型 EDA 供应商，都提供各自的 HDL 软件仿真器，在市场上呈现三足鼎立的状态。

多年来一系列的改进使得 HDL 软件仿真器变得愈加完美。现在，它是一款不可限量的工具，是设计验证和假设分析中必不可少的工具，但其还是有自身的局限性，即设计规模不能超过 1 亿个 ASIC 等效门。这种限制较为随意，事实上，仍然可以对更大型的设计进行软件仿真，只是执行速度奇慢无比。

一个示例
若要使用在 10 Hz 下运行的现代软件仿真器来仿真在 100 MHz 下运行的 1 亿 ASIC 门设计上的一秒钟的真实数据，这绝非易事。在这种设计复杂度下，可能需要花费 1 千万秒的时间。即 2,778 小时，或者 115 天。一秒钟的 100 MHz 真实数据等于 1 亿个时钟周期，这个数字相当大，可能会超出处理典型测试平台的要求。在处理典型测试平台时，一毫秒或者更短时间就足够了，在大内存配置的最新 PC 上运行时，则会将执行时间缩短至一天或更短。这是个合理的目标。

HDL 软件仿真器可以在 PC 场中并行运行，每个 PC 会处理功能完善的测试平台。半导体公司有成千上万台 PC 构成的计算场全天运行。

但 1 亿周期仍不足以处理嵌入式软件设计。由于处理软件在本质上为串行流程，所以对于这项任务来说，有必要按顺序执行数十亿周期。然而，带有 HDL 软件仿真许可的 PC 场却鞭长莫及。软件程序无法在子集中进行拆分，再并行运行。

那么，要如何验证 SoC 设计的嵌入式软件呢？

进入硬件仿真时代
硬件仿真其实由来已久，它给设计人员在流片前提供了一种更为准确的电路行为描述，因为硬件仿真是通过真实的电路和逻辑来实现设计。硬件仿真始于 20 世纪 80 年代末，在 20 世纪 90 年代末盛行，当时主要是通过商业 FPGA 进行实现，用于验证需要较长测试周期的处理器和图形设计。它们也遇到诸如电路建模难度高以及可靠性低等各种问题。其成本也较为高昂，并且作为单用户资源，其投资回报较低。然而，硬件仿真器的出色执行速度仍使其成为长处理周期的必要工具。

还是之前的示例，在 1 MHz 下运行的硬件仿真器需要花费 100 秒来执行 1 秒钟的真实数据以及处理 1 亿次周期。硬件仿真器可以在一小时左右的时间内启动操作系统。而且，硬件仿真器的投入比重新流片便宜得多。


图 1：不同设计规模下软件仿真与硬件仿真性能对比。

HDL 软件仿真器由于缓存缺失和内存交换，其执行速度会随着设计规模增加而急剧下降。不过与之不同的是，在此情况下，硬件仿真器的性能只会受到轻微影响（见图 1）。

由于商用 FPGA 硬件仿真器有一定的限制性，定制芯片硬件仿真器由此应运而生。这种硬件仿真器主要有两种不同类型：由 Mentor Graphics 提供的定制 FPGA 硬件仿真器，又称片上硬件仿真器；以及由 Cadence Design Systems 提供的基于处理器的硬件仿真器。同时，Synopsys 也支持使用比标准 FPGA 硬件仿真器更为先进且功能有所增强的最新商用  FPGA 硬件仿真器。

直到十年前，硬件仿真器才在电路硬件仿真 (ICE) 模式中被单独部署为物理测试环境。由于当流片提供激励和处理响应时，被测设计 (DUT) 将最终驻留在此环境中。因为难以进行设置，ICE 模式现在并不常见，而对更加灵活的测试环境的需求却在不断增长。应用硬件桥没有可控性/可再现性，并且由于安装时间和维护成本的增加，其还会增加测试环境的复杂度。由于可合成的测试平台能在硬件仿真器内部进行映射，并且无需依赖外部环境便可以硬件仿真器的最高速度执行，因此该测试平台区域还有其他可行的替代方案。不过遗憾的是，它们不易开发。

基于事务的验证或加速（TBV 或 TBX）是业内最看好的方法，具有两方面的优势。首先，能采用少一个数量级的代码行，在更高抽象层次写入测试平台，简便而又不易出错。其次，由于在硬件仿真器内部映射晶体管的总线功能模型 (BFM) 实现了急剧加速，这些测试平台比传统 RTL 平台执行更快。另一个益处是，当用户切换设计或新用户登录时，TBV 或 TBX 不需要人为监督来处理速度适配器。这种方式也适合于远程访问。

何时使用软件仿真，何时使用硬件仿真
HDL 软件仿真器适用于设计周期早期阶段的硬件调试，早期阶段的设计主要专注于模块级别。凭借易用、快速设置、极速设计编译等特点，它们可以极其灵活地调试硬件设计。它们还支持每天进行多次设计迭代…只要设计规模合理。但在数千万门级别时会出现问题，这在现在看来只是典型的系统级设计验证。如上所述，它们并不适合嵌入式软件验证。

相反，硬件仿真能找到几乎所有设计缺陷，无论是在硬件中还是在 SoC 嵌入式软件中。硬件仿真可处理任何设计规模，但需要较长时间进行环境搭建，至少一天，也可能更长时间。而且，相比软件仿真器，其编译速度相对较慢，大约需要一小时以上才能完成编译（见图 2）。


图 2：基于性能、设计能力和设置/编译时间的软件仿真与硬件仿真对比。

现代硬件仿真器支持多个并发用户，包括通过远程访问，因此可增加投资回报。