現(xiàn)今乙太網(wǎng)路系統(tǒng)單晶片(SoC)設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，且電路與功能的模擬驗(yàn)證更是曠日費(fèi)時(shí)；而利用硬體模擬技術(shù)，可處理大量驗(yàn)證作業(yè)，并支援多用戶同時(shí)進(jìn)行，能較傳統(tǒng)軟體模擬方法，達(dá)到更快速、準(zhǔn)確的效果，有助SoC設(shè)計(jì)人員提高工作效率。

乙太網(wǎng)路VirtuaLAB軟體可提供由軟體控制的整合環(huán)境，用于生成、傳輸和分析乙太網(wǎng)路封包，從而對(duì)硬體模擬平臺(tái)內(nèi)映射的乙太網(wǎng)系統(tǒng)單晶片(SoC)進(jìn)行測(cè)試。隨著對(duì)連通性需求的大幅增長(zhǎng)，網(wǎng)際網(wǎng)路已成為數(shù)10億用戶的主要通訊手段。根據(jù)“Internet Live Stats”指出，2014年網(wǎng)際網(wǎng)路覆蓋人數(shù)已達(dá)到30億，占全球人口約40%。

網(wǎng)際網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)了廣泛的資料通訊服務(wù)，如電子郵件、視訊下載、Google搜索、推特(Twitter)消息發(fā)送、Skype電話等等。表1列出了每天和每一秒鐘的主要網(wǎng)際網(wǎng)路活動(dòng)數(shù)量。

網(wǎng)際網(wǎng)路的起源可以追溯到不同時(shí)間不同地點(diǎn)的多項(xiàng)發(fā)明的匯合，集眾人之力完成。垂直發(fā)展包括封包交換技術(shù)、通訊協(xié)議以及源自20世紀(jì)60年代的電信行業(yè)活動(dòng)。Xerox Palo Alto實(shí)驗(yàn)室在傳輸控制協(xié)定(網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定或TCP/IP)基礎(chǔ)上創(chuàng)建了專為“區(qū)域網(wǎng)路”(LAN)開發(fā)的乙太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

個(gè)人電腦的發(fā)明，推動(dòng)了網(wǎng)際網(wǎng)路發(fā)展，使其成為現(xiàn)如今這樣擁有30億使用者的網(wǎng)路。沒有個(gè)人電腦及其關(guān)聯(lián)設(shè)備(如印表機(jī)和掃描器)，網(wǎng)際網(wǎng)路可能就只能局限于軍事和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)中。

在網(wǎng)路術(shù)語(yǔ)中，所有連接到網(wǎng)路的設(shè)備都被分類為網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)。在最基本的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)中，各節(jié)點(diǎn)通過集線器連接在一起。即多埠設(shè)備將任何到達(dá)的資訊包復(fù)制到與之連接的所有其他埠(節(jié)點(diǎn))(圖1)。

圖1　典型基于集線器的網(wǎng)路配置

這種最簡(jiǎn)單的方法存在一個(gè)問題，即網(wǎng)路的發(fā)展會(huì)被限制在數(shù)臺(tái)設(shè)備或節(jié)點(diǎn)當(dāng)中。

基于集線器的網(wǎng)路中，有四個(gè)問題阻礙了網(wǎng)路擴(kuò)展：

．頻寬：通過一段時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)馁Y料量進(jìn)行測(cè)量。在集線器網(wǎng)路中，使用者共用總頻寬。

．延遲：通過封包到達(dá)目的地的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量。在集線器網(wǎng)路中，傳輸規(guī)則使得延遲增加到不能接受的程度。

．網(wǎng)路故障：在集線器網(wǎng)路中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)引發(fā)其他節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，如過度廣播或不恰當(dāng)?shù)乃俣仍O(shè)置。

．沖突：多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸封包時(shí)會(huì)發(fā)生沖突，因此可能有必要進(jìn)行重新傳輸。

要解決并糾正這些問題，業(yè)界開發(fā)了可替代集線器的新設(shè)備。其中，交換機(jī)和路由器可保留頻寬、降低延遲、避免網(wǎng)路故障以及防止沖突。

乙太網(wǎng)SoC案例研究

早在1989年，Kalpana就發(fā)明了七埠乙太網(wǎng)交換機(jī)，可處理10Mbit/s流量。時(shí)至今日，乙太網(wǎng)交換機(jī)和路由器已達(dá)到256個(gè)埠，到年底可能還將達(dá)到1024個(gè)埠，它們可處理1/10/40/100/120Gbit/s的流量。盡管業(yè)界預(yù)測(cè)未來(lái)埠數(shù)量還將增加，但受到傳輸介質(zhì)的限制，頻寬不太可能會(huì)提升到1000Gbit/s，可看到采用平行處理方法增加頻寬的措施。網(wǎng)路交換的延遲持續(xù)下降，到如今，最低延遲已降至1μs以下。

大量埠、流量增加、延遲降低、安全性整體提升以及易用性，使得如今的網(wǎng)路交換機(jī)和路由器成為巨大的電路設(shè)計(jì)，達(dá)到了五億邏輯閘數(shù)量級(jí)，僅屈居于最大的處理器和圖形晶片之后。網(wǎng)路SoC的設(shè)計(jì)，包含128埠乙太網(wǎng)介面，且可支援1/10/40/100/120Gbit/s等不同的連結(jié)速度，在實(shí)體晶片可用之前，驗(yàn)證此類復(fù)雜積體電路(IC)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)難以完成的任務(wù)。

當(dāng)可以在電路區(qū)塊層級(jí)使用硬體描述語(yǔ)言(HDL)模擬時(shí)，用模擬流量來(lái)驗(yàn)證數(shù)億門級(jí)的整個(gè)設(shè)計(jì)顯得不合實(shí)際，而且必然會(huì)被淘汰。這是在電路內(nèi)類比(ICE)模式中采用硬體模擬的主要案例。

這種驗(yàn)證方式的獨(dú)特之處在于能通過真實(shí)流量對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試。設(shè)定上針對(duì)每個(gè)埠需要一臺(tái)乙太網(wǎng)測(cè)試儀。由于測(cè)試儀和模擬的待測(cè)設(shè)計(jì)(DUT)之間速度范圍差異較大，因此不能直接連接，需要在兩者之間插入速率適配器。這樣就可以將測(cè)試儀的高速調(diào)整到類比至DUT的相對(duì)較低速度。

分析中的設(shè)計(jì)含128個(gè)埠，需要設(shè)置128個(gè)乙太網(wǎng)測(cè)試儀和128個(gè)乙太網(wǎng)速度適配器，以及大量接線(圖2)。除了錯(cuò)綜復(fù)雜的布線、潛在的硬體不可靠性、整體開支外，最令人沮喪的是整個(gè)設(shè)置只能支援模擬實(shí)驗(yàn)室附近的單一用戶。

圖2　128埠且支援1/10/40/100/120Gbit/s傳輸率的乙太網(wǎng)交換機(jī)通過電路內(nèi)類比(ICE)進(jìn)行驗(yàn)證。