工程师不得不懂的MCU混合信号验证策略和挑战
摘要：
飞思卡尔Kinetis MCU系列是一款高度集成、低功耗32位微处理器，基于ARM Cortex M4内核并拥有面向工业控制和多市场业务的内置DSP功能。Kinetis MCU采用Cadence模拟混合信号验证平台。本文将主要介绍Kinetis MCU混合信号的验证策略和挑战，其中包括混合信号建模、连接验证、混合信号VIP、混合信号功率验证和混合信号覆盖范围。
1 介绍
飞思卡尔Kinetis MCU系列是一款高度集成、低功耗32位微处理器，基于ARM Cortex M4内核并拥有面向工业控制和多市场业务的内置DSP功能。该产品是一大创新成果，是飞思卡尔迈出的重要一步。
Kinetis拥有多个复杂的混合信号IP。这些IP拥有多种不同的模式和设置，可支持多个电源。模拟部分可与数字部分以及其他模拟设计紧密合作。从模拟IP的角度来看，与性能需求相比，该IP功能变得越来越重要。从片上系统的角度来看，由于设计复杂，很难发现隐藏的错误。
鉴于以上几点，kinetis产品采用了最新的数模混合信号验证方法学。Verilog-AMS语言为模拟IP建模，采用了Cadence AMS designer验证平台进行仿真。
本文包括4部分：第一部分为背景介绍，第二部分为Kinetis MCU混合信号验证方法概述，第三部分为Kinetis MCU混合信号验证在AMS建模、AMS VIP、连接性验证、功率验证和AMS覆盖范围所面临的挑战。
2 设计与实施
2.1 AMS Designer
Cadence Virtuoso® AMS Designer是一款灵活的混合信号模拟器，它可以连接高级模拟和数字环境，从而实现无缝的混合信号模拟和验证。它将数字NC-Sim引擎与4款流行的MMSIM模拟引擎（Spectre、SpectreRF、APS® 和UltraSim®）相结合。根据设计特性，为设计人员提供他们所需的仿真结果。
AMS designer集成了面向混合信号验证的Virtuoso全定制环境和面向在数字验证环境中的用于混合信号验证的Cadence敏捷型功能验证平台。它可支持向下算法，从而在早期设计周期中迅速检测到设计错误，并采用混合信号硬件描述语言来加快仿真速度。
2.2混合信号验证的策略和方法
验证采用了软硬件协同仿真方法
SoC测试平台是建立在基于C语言的定向测试案例、??基于系统Verilog的测试平台组件，基于Verilog-AMS的测试平台组件和基与system verilog的随机约束激励。验证方法包括形式验证、基于断言的验证、覆盖驱动的随机约束验证方法。
2.3混合信号验证的挑战
在所有主要的设计挑战中，混合信号验证是最大的一个。对于绝大部分的芯片故障，大部分都是可以通过更好的验证方法预防的。那么混合信号验证最大的挑战是什么？就是AMS建模、功耗验证、验证IP、连通性验证、H/S协同仿真和覆盖率。接下来将会详细介绍Kinetis混合信号验证是如何克服这些挑战的。
2.3.1 混合信号验证的挑战之一 – 行为建模
AMS建模有一个共同的规则----建你所需要的模型，而不是你能建的模型。
本文选自电子发烧友网6月《智能工业特刊》Change The World栏目，转载请注明出处。
永远要平衡仿真的速度和精度。
有一些关于模型创建的简约、精确、性能和可读的若干准则。
·简约，只针对必要的功能验证建模。要在简约和精确之间进行权衡，这需要写模型的人、模拟设计人员和验证工程师讨论决定。应考虑到验证要求和意图。
·精确：不能精确表示电路行为的模型可能导致错误被疏忽。精确的建模所有数字逻辑是很重要的。模型应该根据存在/不存在适当的偏置电压/电流和电源来启动/停止操作。
·性能：AMS模型可能对仿真器性能产生负面影响。写模型的人需要考虑仿真速度。
·可读：模型很可能是其他模型的起点，所以要创建可读的代码，提供清楚的注释是很重要的。
2.3.2 混合信号验证的挑战之二 – 连接性验证
混合信号的第二大挑战是连接性验证。
混合信号验证往往会发现三种类型的功能性错误。
实施许多设置的单个模拟模块。 这些错误通常是控制逻辑上的微妙问题。设计者如果有太多的设置要测试，就很难发现。
连接性验证的重点在模拟到模拟接口或数字到模拟接口上。大多情况下有两种连接性错误：
1. 模块间通信错误；这属于鸡生蛋蛋生鸡的问题。举例来说，低功率芯片上调节器依赖于共享偏置发生器的情况。如果偏置发生器本身依赖于调节器的输出，那么这对组合可能永远都无法启动。
2. 数字电路，控制模拟，产生其输入，或处理其输出；或者是模拟和数字电路之间的接口。
大多数连接都有直接激励和检查器，对各个模拟模型来说，所有的输入都直接传送为输出。
特殊情况下，应当应用基于断言的验证方法用于连接性验证。
2.3.3 混合信号验证的挑战之三 – 验证IP
第三个挑战是验证IP。几个验证IP是分别为各个IP创建的。最复杂的混合信号VIP是分段LCD VIP，支持64个模拟LCD引脚。分段LCD的验证是采用混合信号验证方法的最佳案例。VIP包括五个部分。 LCD影子寄存器、激励发生器、波形监视器、故障仿真器和覆盖发生器。激励发生器用于产生数字和模拟激励，影子寄存器实时获得LCD内部寄存器的值，波形监视器自动检查MCU边界的LCD驱动波形，来自LCD驱动出来通过pad ring到MCU边界的设计路径也可验证。故障仿真器相关于故障检测功能。覆盖发生器协助报告模拟信号的功能覆盖，大大提高了混合信号验证的质量。
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2.3.4 混合信号验证challenge4 – 功耗验证
混合信号验证的另一大挑战是功耗验证。Kinetis的功耗验证采用了CPF方法。
CPF语言提供表示设计实现和验证使用的工具所能理解的功率意图。
基于CPF的低功耗验证流程使其有能力在设计周期的早期RTL已准备就绪时验证低功耗设计意图。流程包括使用CPF进行静态检查和动态仿真。
这是Kinetis的功率域图，功率域包括padring电源域、DGO电源域、SOG电源域、VDDA电源域、RTC电源域、USB电源域、FLASH电源域、双口RAM电源域、SRAM电源域。
下面是可以通过动态CPF仿真来验证的主要项目：
·电源开关关闭（PSO）行为
·设计逻辑错误断电
·隔离规则：隔离值的正确性
·状态保持功率门控（SRPG）规则
·正确的断电供电顺序
·内存电源关闭控制
Encounter® Conformal®低功耗软件可以让你在设计过程早期使用的正规技术（相对于仿真）来验证芯片。可以用来捕获错误的功率意图规范，比如隔离单元缺失/冗余、电平转换器、或者控制信号无适当供电等，尤其是电平转换器，在动态CPF仿真中非常难以验证。也可以用来在每个验证阶段进行等效性检查。
2.3.5 混合信号验证底5大挑战 – 混合信号功能覆盖
传统上，覆盖率是用以建立信任的一个维度，对于确保验证计划完整、设计经过尽可能彻底的验证而言，这是一个安全网络。覆盖率指标是针对明示或暗示目标测量所收集的覆盖率数据，通常以百分比表示。
目前混合信号验证质量取决于混合信号验证工程师的经验。模拟信号的功能覆盖迫切需要一种通用的方法。
AMS designer可以支持面向控制的PSL / SVA断言，ICC也支持PSL断言和覆盖率指令。对于有几个模拟IP在内的混合信号芯片，每个模拟IP都有自己的覆盖模型。这些模型是独特的，各有不同。
这些覆盖模型是自动生成的，是模拟设计的仿真部分。
这些覆盖模型有助于产生模拟信号的功能覆盖报告，功能覆盖报告100％应该是验证流程一个强制要求，这样可以消除不完整验证可能带来的错误。
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