软硬件协同仿真—

软硬件协同仿真——硬件加速

1. 仿真验证方法
- 1.1 软件仿真(Software Simulation)
- 1.2 协同模拟 (Co-Simulation)
- 1.3 协同仿真 (Co-Emulation)
- 1.4 三种仿真技术对比
2. 硬件加速实现方法
- 2.1 专用硬件Emulator
- 2.2 硬件加速方式
- 2.3 硬件加速实现方法

参考：

王宏伟,孙宇明,李铀,唐柳. 一种软件联合FPGA硬件仿真加速系统设计[C]//.2020中国航空工业技术装备工程协会年会论文集.[出版者不详],2020:114-117.DOI:10.26914/c.cnkihy.2020.036194.
蒋心祝. 软硬件协同仿真的自动化验证平台设计[D].西安电子科技大学,2019.DOI:10.27389/d.cnki.gxadu.2019.000734.
验证学院
https://www.design-reuse.com/articles/21885/hardware-acceleration-hvl-testbench.html
https://compas.cs.stonybrook.edu/projects/vm-hdl-cosim

1. 仿真验证方法

什么是仿真验证？
仿真即是借助于仿真工具(仿真器)来验证一个使用硬件描述语言性语言(Verilog/SystemVerilog/VHDL)建模的数字设计的功能正确性的过程。

1.1 软件仿真(Software Simulation)

软件仿真，即是使用Modelsim, Icarus, Verilator，VCS, Xceilum等仿真工具，对HDL建模的电路进行模拟仿真, 也是目前使用最多，最普遍的仿真技术

优势：可以查看电路中任何地方的信号
缺点：设计电路越复杂,仿真所需要的时间越长

1.2 协同模拟 (Co-Simulation)

使用硬件加速器协同进行加速，主要是验证部分和测试向量等都是在软件一侧的仿真上运行的，只有待测设计的代码在硬件上执行。

图2 来源https://compas.cs.stonybrook.edu/projects/vm-hdl-cosim

1.3 协同仿真 (Co-Emulation)

同样使用硬件加速器协同进行加速，与Co-Simulation不同的是，Co-Emulation分工明确，Software只负责验证平台中不包含时序的部分，Hardware负责验证平台中时序部分(产生时钟、其他部分？)以及待测设计部分。这样可以最大化的利用硬件加速器性能。

图3，来源https://www.edn.com/co-emulation-for-better-ic-testing/

1.4 三种仿真技术对比

表1 仿真验证技术对比表[1]^{[1]}[1]

比较项	Software Simulation	Co-Simulation	Co-Emulation
普及度	高	较高	低
仿真速度	慢	明显提速	最大程度的提速
测试规模	小规模	大规模	超大规模
成本	低	较低	高
易用性	便于调试，结果直观，功能覆盖、断言等支持好	DUT部分调试非常困难，需要修改测试向量以达到更高的覆盖率	提供便捷的调试特性

图4[5]图4^{[5]}图4[5]：仿真时间对比

RTL Simulation,即是纯软件仿真，Testbench和 DUT 都在仿真软件上运行，可以看到设计部分消耗了很多时间
TB in SW， DUT in HW，即是Co-Simulation,Testbench 代码在软件中运行，将DUT加载到硬件上运行，相较于 RTL Simulation方案,Co-Simulation仅仅优化了DUT仿真所消耗的时间，同时增加了SW-HW之间的同步时间
TBA( transaction-based acceleration) Method,即是Co-emulation

2. 硬件加速实现方法

2.1 专用硬件Emulator

emulation vs FPGA Prototyping

emulation可以验证极大规模的设计, 如一个二十亿门的设计，使用专用emulator，会使用 100 多块板卡，每张板卡上若是 16 个验证单元，会需要超过 1600 块验证芯片单元，涉及到的芯片间切割、
布线、时序分析都是非常复杂的。而使用FPGA 原型能否实现该设计呢？如果能实现时间开销也能否承受呢？
FPGA原型一般用于小规模的芯片验证四颗以上切割、布线就很困难，且速度下降得很厉害

图5：https://www.electronicdesign.com/technologies/test-measurement/article/21800385/hardware-emulation-a-weapon-of-mass-verification

（来源[2]）目前业界常使用的硬件仿真器:

Synopsis 公司的 ZeBu, Zebu 基于 Xilinx FPGA
Candence 公司的 Palladium, 基于专用处理器设计
Mentor 公司的 Veloce, 基于专用处理器设计
其他基于FPGA的硬件Emulator
- Aldec
- Bluespec
- Cadence RPP
- Dini Group
- S2C
- HyperSilicon

2.2 硬件加速方式

基于信号的仿真加速
基于信号的仿真加速方式，主要思想是，将整个待测设计或是期望加速的待测设
计的一部分移植到硬件仿真器中，并将验证环境直接与待测设计相连。可综合的待测
设计部分被放到硬件仿真器中，验证环境与待测设计是基于信号级别相连的，数据会
串行通过高速通道。[2]^{[2]}[2]
基于事务的仿真加速
基于事物的仿真加速方式，可以更好地发挥硬件仿真器的性能，最小化了主机与硬件仿真器之间的数据，相比于基于信号的仿真加速。因为在主机上运行的验证环境和在硬件仿真器上执行的待测设计是通过无时序的事物进行交互的，不再是基于周期精准的信号。[2]^{[2]}[2]

图6[2]^[2][2]: 硬件加速系统结构

2.3 硬件加速实现方法

图7[1]^{[1]}[1]：软硬件协同仿真系统结构框图

仿真软件
1. 为FPGA硬件加速提供测试向量(测试激励)
2. 提供Debug窗口，显示DUT输出向量
软硬件通信模块
软硬件通信模块是软件硬件协同仿真的核心部件，本质上应该还是目前常用的通信接口，如以太网，PCIE等(猜测，有待进一步确认)。
1. 硬件端实现(FPGA端)：如使用PCIE物理接口，那么可以将FPGA中DUT的输出向量封装成PCIE数据包，通过PCIE接口将数据发送到软件端
2. 软件端实现(PC端)：使用C代码完成向电脑或服务器的PCIE端口发送/接收数据，可以通过SystemVerilog DPI-C接口调用该C代码函数，从而实现软硬件数据交换
FPGA硬件加速模块
1. 待测设计
2. 时钟源
3. 缓存DUT输出向量，发送至上位机(软件端)
4. 缓存DUT测试向量，输送至待测设计