【導(dǎo)讀】當(dāng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)涉及到更多的協(xié)議和數(shù)十億門(mén)設(shè)計(jì)，還要最大程度降低能耗，軟件也變得日益繁多復(fù)雜，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，還存在數(shù)百個(gè)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(yàn)證，來(lái)設(shè)計(jì)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(jì)。它們使用大量的軟件，而且必須滿(mǎn)足嚴(yán)格的低功耗要求。因此，它們需要經(jīng)過(guò)大量的驗(yàn)證周期，才能得到充分的運(yùn)用和調(diào)試。
IoT 設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的五大特征對(duì)驗(yàn)證工作具有重大影響。這兩種設(shè)計(jì)具有以下四大共同特征：“每顆芯片實(shí)現(xiàn)更多的協(xié)議”會(huì)更好、設(shè)計(jì)規(guī)模更大且更加復(fù)雜、對(duì)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(gè)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(jì)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(yàn)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(wú)法支持迅速增長(zhǎng)的互聯(lián)網(wǎng)芯片端口數(shù)的需求，對(duì)于測(cè)試IoT設(shè)備上的眾多接口協(xié)議也不實(shí)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(jì)的主要挑戰(zhàn)
1.每個(gè)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(shí)連接到網(wǎng)絡(luò)，因此每個(gè)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(chǔ)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(tīng)電話(huà)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?yàn)樵诓煌瑓f(xié)議之間以及它們與設(shè)計(jì)的其余部分之間存在如此多的通信和交互，因此它們會(huì)呈現(xiàn)出許多棘手的需要檢查甚至調(diào)試的場(chǎng)景和邊界情況。
將所有這些協(xié)議都置于單個(gè) SoC 上，將會(huì)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(yàn)證設(shè)計(jì)所需的驗(yàn)證周期就越長(zhǎng)。
圖 2.IoT 提高了每顆芯片的協(xié)議使用要求。
2.設(shè)計(jì)規(guī)模更大
設(shè)計(jì)規(guī)模更大的協(xié)議集成會(huì)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(huì)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(yǔ)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(yàn)證系統(tǒng)變得越發(fā)困難，因?yàn)橐粋€(gè)系統(tǒng)可能包含數(shù)十億門(mén)。因此，我們必須重新考慮驗(yàn)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(jì)決策需要考慮到功耗、面積和性能。IoT 設(shè)計(jì)尤其重視功耗。這使得系統(tǒng)級(jí)功耗分析和管理成為一項(xiàng)重要工作。
在設(shè)計(jì)流程早期提供精確功耗分析的驗(yàn)證解決方案，有助于確保您的設(shè)計(jì)決策能夠顯著降低能耗。此類(lèi)分析的準(zhǔn)確度取決于測(cè)量會(huì)最終在SoC上運(yùn)行的特定應(yīng)用場(chǎng)景的功耗。這正是傳統(tǒng)基于測(cè)試平臺(tái)的驗(yàn)證方法的不足之處。我們需要一種更好的方法，來(lái)提供符合 IoT 設(shè)計(jì)人員需求的分析。
圖 4.數(shù)據(jù)軟件仿真測(cè)試平臺(tái)無(wú)法捕獲精確的功耗測(cè)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(yàn)證正逐漸被淘汰。軟件仿真進(jìn)展太慢，無(wú)法對(duì)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(cè)試。如果設(shè)計(jì)人員完全或很大程度地依賴(lài)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?yàn)樗麄儫o(wú)法生成和隔離可能在實(shí)際應(yīng)用中導(dǎo)致問(wèn)題的邊界情況。
同樣，較多的軟件內(nèi)容會(huì)大大增加 SoC 的開(kāi)發(fā)成本，因?yàn)楦鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)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(yàn)證。
您的編程團(tuán)隊(duì)需要一種能夠提升 OS 性能的驗(yàn)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(yàn)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(dòng) SoC 開(kāi)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(dòng)
IoT 正在不斷推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，因?yàn)橄M(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(jì)算性能以及更多專(zhuān)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(mǎn)足這些需求，并通過(guò)更快速的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和更多端口來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
例如，為滿(mǎn)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(kāi)發(fā)人員不得不將數(shù)以千計(jì)的以太網(wǎng)端口置于單個(gè) SoC 上。如此一來(lái)，在一個(gè)硬件測(cè)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(lái)實(shí)施他們的設(shè)計(jì)。
針對(duì) IoT 網(wǎng)絡(luò)以硬件仿真為主的驗(yàn)證
當(dāng)今的硬件和軟件需要大量的驗(yàn)證。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作不會(huì)變得更加簡(jiǎn)單，而只會(huì)變得日益困難。要記住，開(kāi)發(fā)人員需要在不斷縮短的時(shí)間期限內(nèi)開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品，這也會(huì)加大開(kāi)發(fā)難度。那么，硬件仿真如何幫助您應(yīng)對(duì)這些壓力呢？為什么硬件仿真會(huì)成為驗(yàn)證過(guò)程的一個(gè)“必需”環(huán)節(jié)？
Mentor Graphics 仿真團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，改進(jìn)復(fù)雜 IoT 和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)驗(yàn)證的最佳方式是使用 Veloce 平臺(tái)來(lái)重復(fù) IoT 公司進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程。這種方法包括斷開(kāi)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?yàn)樽罱K用戶(hù)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(tái)經(jīng)過(guò)量身定制，讓設(shè)計(jì)人員能夠使用 Veloce 應(yīng)用程序以相同方式測(cè)試設(shè)計(jì)。驗(yàn)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(yàn)證應(yīng)用程序以及內(nèi)部或第三方開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序提供了一個(gè)仿真器界面。由于 Veloce OS 與任何版本或任何型號(hào)的 Veloce 仿真硬件系列都兼容，因此用戶(hù)可從一個(gè)平臺(tái)無(wú)縫遷移到下一代平臺(tái)，這將會(huì)保護(hù)客戶(hù)的投資，并在他們的性能和容量需求增加時(shí)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(duì)列和優(yōu)先級(jí)排序。利用企業(yè)服務(wù)器，用戶(hù)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(gè)項(xiàng)目、團(tuán)隊(duì)、用戶(hù)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(gè)或多個(gè)項(xiàng)目分配到某個(gè)位置，以確保最高效地利用 Veloce 資源。因此，全球用戶(hù)可以隨時(shí)隨地高效地訪(fǎng)問(wèn)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(jì)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(kāi)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境轉(zhuǎn)變成只需硬件仿真器和工作站來(lái)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(yàn)證相同的功能，進(jìn)而為用戶(hù)提供硬件準(zhǔn)確度。
圖 7.VirtuaLAB 企業(yè)服務(wù)器為多個(gè)用戶(hù)和項(xiàng)目提供全天候的全球訪(fǎng)問(wèn)。
但它的優(yōu)點(diǎn)不止于此。與 ICE 相比，它具有實(shí)實(shí)在在的優(yōu)勢(shì)：
您可以獲得更高的可靠性，因?yàn)橛布抡嫦到y(tǒng)消除了常會(huì)引發(fā)故障的外部硬件和布纜。
利用高效的多用戶(hù)環(huán)境，您可以提高效率，并能通過(guò)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(xiàn)）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(wú)需連接硬件（包括昂貴的測(cè)試儀），從而降低總體成本。
您可將硬件仿真功能從實(shí)驗(yàn)室移入數(shù)據(jù)中心，使得全球多個(gè)團(tuán)隊(duì)可以隨時(shí)隨地使用硬件仿真功能，就像一個(gè)服務(wù)器場(chǎng)，從而提高投資回報(bào)。
由于基于軟件的解決方案具有較高的調(diào)試可見(jiàn)性，而且設(shè)計(jì)人員可以訪(fǎng)問(wèn)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(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的結(jié)果。
讓我們一起來(lái)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(kāi)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?yàn)橛布鉀Q方案即使在使用相同的激勵(lì)時(shí)也可產(chǎn)生不同的結(jié)果（結(jié)果取決于硬件啟動(dòng)時(shí)所處的狀態(tài)）。因此，在設(shè)計(jì)中為協(xié)議采用基于軟件的環(huán)境非常重要。Veloce 為多個(gè)細(xì)分市場(chǎng)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(yàn)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(jì)
隨著設(shè)計(jì)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(tái)來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。客戶(hù)最初可能會(huì)使用 Veloce Quattro 來(lái)滿(mǎn)足他們的需求。Quattro 可為每個(gè)系統(tǒng)和多達(dá) 16 個(gè)用戶(hù)處理多達(dá) 2.56 億門(mén)。隨后，他們可能會(huì)使用的下一個(gè)型號(hào)是支持多達(dá) 64 個(gè)用戶(hù)的十億門(mén) Veloce Maximus。接下來(lái)是 Double Maximus 系統(tǒng)，它具有多達(dá) 20 億門(mén)和 128 個(gè)用戶(hù)的容量。所有 Veloce 型號(hào)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(zhǎng)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(tái)滿(mǎn)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?yàn)樗軌蛱峁┖芨叩木_度，這一精確度僅可在真實(shí)應(yīng)用環(huán)境下運(yùn)行設(shè)計(jì)方能得以實(shí)現(xiàn)。
Veloce 具有適當(dāng)?shù)乃俣群腿萘?，可以啟?dòng) 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(mén)時(shí)也如此。Mentor 創(chuàng)建了一個(gè)動(dòng)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(guò)與行業(yè)領(lǐng)先的第三方功率分析工具（例如 ANSYS）集成，客戶(hù)可以在設(shè)計(jì)流程初期獲得準(zhǔn)確的功率數(shù)。因此，他們能夠針對(duì)功耗、區(qū)域和性能做出明智的設(shè)計(jì)決策。
這是其他硬件仿真器無(wú)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(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。硬件仿真與軟件仿真一樣易于調(diào)試，對(duì)于較大規(guī)模的設(shè)計(jì)，硬件仿真比軟件仿真要快數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)倍。Veloce 包含大量解決方案，以滿(mǎn)足軟件工程師調(diào)試其嵌入式軟件之需。
Veloce 針對(duì)使用軟件仿真的實(shí)時(shí)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(wú)需再使用硬件 JTAG 探針。這不僅消除了 JTAG 探針的部分固有問(wèn)題，還充分利用了企業(yè)服務(wù)器。然而，交互式調(diào)試會(huì)極大占據(jù)硬件加速器寶貴的機(jī)時(shí)，尤其是在軟件工程師停頓時(shí)鐘并進(jìn)行主動(dòng)調(diào)試的時(shí)候。在調(diào)試時(shí)將硬件的時(shí)鐘停止對(duì)于使用硬件加速器來(lái)說(shuō)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(duì)必要時(shí)方可使用。
當(dāng)交互式調(diào)試不是那么必要的時(shí)候，Veloce Codelink 可以支持離線(xiàn)和重放調(diào)試。Codelink 提供標(biāo)準(zhǔn)軟件開(kāi)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(guò) Codelink 軟件，硬件仿真器會(huì)生成多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)可用于離線(xiàn)軟件調(diào)試。這是一個(gè)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(hù)，同時(shí)又能夠離線(xiàn)執(zhí)行軟件調(diào)試。
圖 10.Codelink 支持多個(gè)并行用戶(hù)的離線(xiàn)調(diào)試。
5a.交換機(jī)和路由器端口
擁有成百上千個(gè)端口的設(shè)計(jì)需要與硬件擁有非常多的連接，而這些連接全都需要接線(xiàn)纜，這就使得在 ICE 環(huán)境中驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器設(shè)計(jì)不再可行。此外，一個(gè)128 端口的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)等可能具有數(shù)億甚至數(shù)十億個(gè)門(mén)的尺寸。
Veloce VirtuaLAB 可通過(guò)將大多數(shù)的測(cè)試環(huán)境轉(zhuǎn)移到軟件中來(lái)克服硬件環(huán)境的障礙，并在可運(yùn)行多達(dá)20億門(mén)設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展 Veloce 平臺(tái)上運(yùn)行。另外，VirtuaLAB 協(xié)議解決方案還可滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或路由器公司在驗(yàn)證其芯片時(shí)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(guò)一個(gè)或多個(gè)軟件連接與工作臺(tái)上的用戶(hù)環(huán)境相連。通過(guò)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(duì)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)?huì)生成虛擬以太網(wǎng)流量。EPGM 會(huì)生成測(cè)試數(shù)據(jù)包并對(duì)以太網(wǎng)流量提供可見(jiàn)性、分析和用戶(hù)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(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施使得我們當(dāng)前面臨的驗(yàn)證挑戰(zhàn)變得更加嚴(yán)峻，而且還帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。如果公司希望及時(shí)將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，同時(shí)確保在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，他們就需要強(qiáng)大的技術(shù)手段來(lái)幫助完成如此復(fù)雜的任務(wù)。只有硬件仿真能夠應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。
因此，通過(guò)企業(yè)驗(yàn)證平臺(tái) (EVP)，Mentor Graphics 開(kāi)發(fā)了一系列以 Veloce VirtuaLAB 為核心且專(zhuān)門(mén)針對(duì) IoT 的硬件仿真解決方案，。此解決方案靈活性更強(qiáng)、可見(jiàn)性更高，并且能夠根據(jù) IoT 和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)質(zhì)量。它還提供很多 ICE 傳統(tǒng)功能，但無(wú)需額外的線(xiàn)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(gè)團(tuán)隊(duì)、用戶(hù)和項(xiàng)目隨時(shí)隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)。VirtuaLAB 環(huán)境為所有 IoT 市場(chǎng)提供軟件和硬件驗(yàn)證，從而為多協(xié)議、復(fù)雜設(shè)計(jì)、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(yàn)證解決方案。
圖 12.EVP 為實(shí)現(xiàn)高效驗(yàn)證集成了一整套工具。
