當(dāng)前，設(shè)計(jì)驗(yàn)證已經(jīng)成為半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)過程所面臨的主要難題之一。如何確認(rèn)芯片能夠在相關(guān)應(yīng)用中正確運(yùn)行呢？除了要面對(duì)需要寫出盡可能多的測(cè)試來驗(yàn)證芯片的各方面功能的挑戰(zhàn)以外，下列問題也變得日益重要：如何測(cè)定這些測(cè)試的質(zhì)量呢？測(cè)試包到底覆蓋了多大范圍的芯片功能呢？對(duì)于這些問題，傳統(tǒng)的解決方法是應(yīng)用代碼覆蓋率分析工具。利用這些工具可以測(cè)量出在仿真狀態(tài)下實(shí)際執(zhí)行了設(shè)計(jì)的多大部分，并能提供有關(guān)代碼行覆蓋率、條件覆蓋率、信號(hào)翻轉(zhuǎn)覆蓋率的報(bào)告。但是，代碼覆蓋率分析工具所能給出的覆蓋率數(shù)值在本質(zhì)上屬于樂觀性的估計(jì)。舉例來說，它們可以指出一條代碼行得到了執(zhí)行，但是卻不能指出這條代碼行上的代碼正確性是否得到了驗(yàn)證。因此，有可能出現(xiàn)這種情況，即有報(bào)告顯示一條代碼行已經(jīng)在仿真狀態(tài)下得以覆蓋，但是由此產(chǎn)生的效果卻未在仿真中檢查出來，并未檢查到這條代碼行的錯(cuò)誤功能。測(cè)試結(jié)果可能會(huì)顯示合格，但卻沒有察覺到錯(cuò)誤的功能行為。
這項(xiàng)挑戰(zhàn)可以通過應(yīng)用VCS 7.0版新增的Observed Coverage (OBC)能力得到解決。這項(xiàng)功能包含在VCS 7.0的測(cè)試版中，也正是我們用作OBC評(píng)估的版本。

OBC工具
OBC是一項(xiàng)在VCS仿真器內(nèi)新增加的覆蓋率測(cè)量工具。OBC是建立在代碼行覆蓋率分析基礎(chǔ)上的，并在其中加入了可觀測(cè)性的概念：一行代碼在已經(jīng)執(zhí)行的情況下，而且執(zhí)行的效果可以傳播到觀測(cè)點(diǎn)，我們就認(rèn)為這是已經(jīng)觀測(cè)的代碼行。在缺省情況下，OBC技術(shù)把包括在TestBench內(nèi)最頂層的實(shí)例的輸出認(rèn)定為觀測(cè)點(diǎn)。而且可以將用戶設(shè)計(jì)中的任意信號(hào)定義為觀測(cè)點(diǎn)。
通過加入可觀測(cè)性的概念，OBC工具糾正了代碼覆蓋率分析中的樂觀估計(jì)傾向，所報(bào)告覆蓋率也更為接近實(shí)際的觀測(cè)結(jié)果。OBC工具的能力在于模塊的輸出可以不必直接與觀測(cè)點(diǎn)有所連接。這一信號(hào)可以首先送入其它模塊，隨后穿過一些組合邏輯電路，儲(chǔ)存在第3個(gè)模塊的寄存器中，并最終在若干時(shí)鐘周期后到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)。在這種情況下，OBC工具依然能夠檢測(cè)到信號(hào)傳播鏈路中起始部分的賦值操作已經(jīng)被觀察到。

未觀測(cè)到代碼行的原因
OBC工具可以識(shí)別出8種不同的為何代碼行被認(rèn)定為未觀測(cè)到的原因。
無扇出(NFO)
在一個(gè)模塊中未能讀取的信號(hào)明顯地不會(huì)被傳播到任何觀測(cè)點(diǎn)。
未執(zhí)行的讀取操作(UXR)
如果一條語句從未得到執(zhí)行，就可能造成一次本應(yīng)通過這條語句進(jìn)行傳播到觀測(cè)點(diǎn)的賦值操作未能執(zhí)行。
未接線的輸出端口(UCP)
如果一個(gè)子模塊的輸出端口未接線，則會(huì)成為某個(gè)信號(hào)無法觀測(cè)到的明顯原因。
賦值操作未改變信號(hào)(SUA)
一個(gè)信號(hào)被賦予了與本身已有值相同的數(shù)值時(shí)，則此次賦值被認(rèn)定為是無法觀測(cè)到的。這時(shí)就需要進(jìn)行另外一次賦值操作，賦予其不同的數(shù)值，方能傳播到輸出處并被認(rèn)定為已觀測(cè)到。
賦值次序混亂(AOO)
這種情況經(jīng)常在若干個(gè)賦值操作必須按一定的順序進(jìn)行，以達(dá)到將某個(gè)信號(hào)數(shù)值傳播到某個(gè)輸出的目標(biāo)。但是，如果這一特定順序在仿真過程中從未出現(xiàn)過，則此賦值鏈會(huì)斷開，而賦值鏈的前一部分不認(rèn)定為已經(jīng)觀測(cè)到。
賦值操作不受子表達(dá)式數(shù)值的影響(AIS)
在諸如x = a & b或x = a | (~b)的賦值操作中，在b的值為零時(shí)，a的值是“不關(guān)心的”。因此，所有對(duì)信號(hào)a的賦值均將被認(rèn)為是未觀測(cè)到的。
僅用于事件控制(UEC)
內(nèi)部時(shí)鐘或復(fù)位信號(hào)在典型情況下從來不會(huì)傳播至芯片的輸出端。但是，這些信號(hào)會(huì)觸發(fā)其它可在觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到的信號(hào)的操作。無論在何種情況，OBC工具都不會(huì)認(rèn)定此種時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)是可觀測(cè)到的。
寄存器重寫(ROW)
如果某個(gè)寄存器數(shù)值在此數(shù)值傳播到觀測(cè)點(diǎn)前被重寫，則產(chǎn)生原來數(shù)值的賦值操作被認(rèn)定為未觀測(cè)到。

OBC工具的使用
圖1是OBC工具運(yùn)行方式的概述以及報(bào)告生成的過程。
運(yùn)行OBC工具需要3個(gè)步驟：
＊編譯和在代碼中建立相應(yīng)的觀察機(jī)制
vcs -cm obc source.v
＊運(yùn)行仿真并生成一個(gè)有關(guān)行代碼覆蓋率和可觀測(cè)性結(jié)果的數(shù)據(jù)庫
simv -cm obc -cm_obc history -cm_name test1
＊在批處理方式下生成報(bào)告
obcView -b -cm_name merged
前兩個(gè)步驟為VCS編譯和仿真的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行步驟，只包含了有關(guān)OBC工具的少數(shù)幾個(gè)開關(guān)。最后一個(gè)步驟是專用于OBC的，這一步驟中生成若干個(gè)有關(guān)覆蓋率和可觀測(cè)性的報(bào)告文件：
?報(bào)告中可提供若干個(gè)層次的詳細(xì)信息：所有代碼行，只對(duì)未觀測(cè)到的代碼行，或者是對(duì)每個(gè)模塊的一個(gè)總結(jié)報(bào)告。
?每個(gè)模塊實(shí)例生成相應(yīng)報(bào)告，但是如果同一個(gè)模塊有多個(gè)實(shí)例，也可針對(duì)每一個(gè)模塊提供一份累計(jì)報(bào)告。
?一份可用于追溯某一特定代碼行被報(bào)告為未觀測(cè)的歷史記錄報(bào)告。

OBC工具的應(yīng)用
在模塊級(jí)上應(yīng)用OBC工具
在模塊級(jí)上應(yīng)用代碼覆蓋率分析工具是最為廣泛的應(yīng)用形式，模塊設(shè)計(jì)人員需要通過它們來確認(rèn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)中的所有組成部分。但是，傳統(tǒng)的代碼覆蓋率分析工具在典型情況下所給出的覆蓋率結(jié)果過于樂觀。通過為OBC工具定義合適的觀測(cè)點(diǎn)后，以這種觀測(cè)為基礎(chǔ)的覆蓋率結(jié)果有助于查明模塊中那些已執(zhí)行的部分，但其執(zhí)行代碼的正確性可能根本未經(jīng)這項(xiàng)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。在模塊級(jí)上使用OBC工具的目的就是盡可能百分之百地使所有的行都被覆蓋到并被觀測(cè)到。
在芯片級(jí)上使用OBC工具
在芯片級(jí)上同樣會(huì)發(fā)生存在于模塊級(jí)上的問題，這些問題的解決難度遠(yuǎn)大于模塊級(jí)：測(cè)試包覆蓋了多大范圍的芯片功能？哪些測(cè)試是屬于冗余的？芯片中哪一部分的覆蓋率比其它部分更低？如果設(shè)計(jì)中存在一處缺陷，則是否至少會(huì)在一項(xiàng)測(cè)試中不能通過？
特別是對(duì)于復(fù)雜程度較高的單片系統(tǒng)芯片，包括一個(gè)或多個(gè)處理器、許多外設(shè)，在模塊級(jí)上的代碼覆蓋率結(jié)果是無法對(duì)下列這些問題做出答復(fù)的，其原因有多種：
?所有的模塊均已經(jīng)假設(shè)為在單元級(jí)經(jīng)過了驗(yàn)證，也就是說，在單獨(dú)測(cè)試中已經(jīng)達(dá)到了很高的代碼覆蓋率。因而，在芯片級(jí)的驗(yàn)證中，其目的不在于重復(fù)進(jìn)行相同的測(cè)試，這是由于模塊的功能已經(jīng)得到了驗(yàn)證。在芯片級(jí)，我們所要驗(yàn)證的是模塊的集成是正確的，而且相鄰模塊之間的信息交流是正確的。芯片級(jí)上100%的代碼覆蓋率也由于仿真資源方面的限制而無法達(dá)到。
?在芯片啟動(dòng)時(shí)，許多操作均開始自動(dòng)執(zhí)行：各個(gè)鎖相環(huán)電路均進(jìn)行啟動(dòng)，產(chǎn)生出復(fù)位序列，核心部分從ROM代碼開始啟動(dòng)等等。這些操作將至少對(duì)某些模塊產(chǎn)生相當(dāng)高的代碼覆蓋率，但是這就意味著所有的代碼均已真正得到了測(cè)試嗎？答案或許是否定的。這是由于在較大的芯片中，只有很少數(shù)的內(nèi)部信號(hào)真正傳送到了芯片的輸出端。
因此在較大的芯片中，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一種特殊的情況：一方面，標(biāo)準(zhǔn)的芯片操作產(chǎn)生出相當(dāng)高的某種代碼覆蓋率，而另一方面，絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)僅在芯片內(nèi)部進(jìn)行傳送，而在芯片引腳上是觀測(cè)不到的。針對(duì)這種情況，OBC能夠有助于在芯片級(jí)仿真中產(chǎn)生更為有效的測(cè)量結(jié)果。
在隨機(jī)測(cè)試中使用OBC工具
隨著當(dāng)今的芯片設(shè)計(jì)變得越來越復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的直接式激勵(lì)越來越難以達(dá)到很高的測(cè)試覆蓋率。因此，隨機(jī)驗(yàn)證技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。但是，隨機(jī)激勵(lì)必須完全依賴于自動(dòng)檢查，因?yàn)橥ㄟ^對(duì)波形的目視檢查或其它手工方法無法檢查出這種仿真的正確性是不可行的。
OBC技術(shù)的概念對(duì)于在這種隨機(jī)驗(yàn)證方法中判斷隨機(jī)激勵(lì)的質(zhì)量和覆蓋率是非常有用的。
但是，對(duì)于OBC工具來說，觀測(cè)點(diǎn)的選擇對(duì)于分析來說是至關(guān)重要的：只有通過自動(dòng)檢測(cè)得到了驗(yàn)證的信號(hào)方可定義為觀測(cè)點(diǎn)。OBC不檢查某個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)的正確性，但是它假設(shè)其它方(人員或自動(dòng)檢查)能夠在所有的觀測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證信號(hào)的正確性。
對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)的選擇來說，存在著一個(gè)非常重要的限制，這一限制對(duì)于隨機(jī)測(cè)試和直接測(cè)試一樣有效。如果觀測(cè)點(diǎn)處的信號(hào)數(shù)值沒有得到檢查，則OBC工具所報(bào)告的數(shù)字是無指導(dǎo)意義的。

OBC工具所獲得的首批結(jié)果
對(duì)OBC工具的首次評(píng)估只在模塊級(jí)上執(zhí)行，采用了一個(gè)JTAG控制器作為受測(cè)試的模塊，然后在模塊上運(yùn)行了一個(gè)有8個(gè)不同測(cè)試的測(cè)試包。表1是對(duì)這個(gè)JTAG控制器模塊所達(dá)到的覆蓋率的概述。
如表1所示，這8項(xiàng)測(cè)試的代碼行覆蓋率(標(biāo)準(zhǔn)覆蓋率分析)是相當(dāng)高的，但是在采用了所有模塊輸出作為觀測(cè)點(diǎn)的OBC分析中，已觀測(cè)到代碼行的百分比出現(xiàn)很大幅度的下降。此結(jié)果表明，14%的代碼行得到了執(zhí)行，但它們的執(zhí)行效果并未在模塊輸出端得到直接的觀測(cè)。這些代碼行的絕大多數(shù)均與控制邏輯有關(guān)，這是由于控制信號(hào)極少直接與模塊的輸出端直接連接，而是對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行控制。但是，OBC工具將這種情況認(rèn)定為未觀測(cè)到(原因：UEC)，即使這些控制信號(hào)有可能與輸出端之間存在著一些非直接的效應(yīng)。
如果選TDO輸出端為僅有的觀測(cè)點(diǎn)(如同TDO輸出端是芯片級(jí)僅有的輸出端一樣)，則觀測(cè)到的代碼行的百分比將會(huì)出現(xiàn)極大幅度的下降。一方面，這一結(jié)果表明某些測(cè)試可能需要進(jìn)行改進(jìn)，以保證測(cè)試結(jié)果能夠在TDO輸出端上被觀察到。另一方面，出現(xiàn)大幅下降是基于許多JTAG模塊輸出均為控制信號(hào)的事實(shí)，這些控制信號(hào)都被送到芯片上的其它模塊，而且是不能夠直接觀測(cè)到的。
表2列出了一些關(guān)鍵性的數(shù)值，這些數(shù)值表明了OBC工具在仿真運(yùn)行中對(duì)性能所起的影響。本結(jié)果顯示了如上所述的JTAG模塊的結(jié)果，也顯示了作為一個(gè)較大規(guī)模設(shè)計(jì)的范例的微控制器芯片的結(jié)果。每欄右側(cè)的數(shù)值表明與標(biāo)準(zhǔn)的VCS仿真相比較的性能，即沒有OBC工具或任何其它覆蓋率分析工具的情況下。
在JTAG芯片的設(shè)計(jì)中，編譯和仿真的時(shí)間較短，所以對(duì)OBC工具使用的影響是觀測(cè)不到的。但是，在更大的微處理器設(shè)計(jì)中，對(duì)于仿真時(shí)間的影響會(huì)變得非常明顯。
作為一項(xiàng)有意義的成果，我們發(fā)現(xiàn)OBC工具所產(chǎn)生出的多余數(shù)據(jù)(test.line文件)并不大。但是，OBC的能力對(duì)于仿真所需的RAM有著顯著的影響。這一點(diǎn)對(duì)于較大的模塊來說，在對(duì)內(nèi)存量的需求超過工作站中可提供的RAM時(shí)，可能會(huì)成為一個(gè)瓶頸。

結(jié)果和建議
盡管評(píng)估OBC時(shí)，它尚處于測(cè)試版，但該工具的表現(xiàn)非常穩(wěn)定，而且比較容易使用。只需在標(biāo)準(zhǔn)的VCS編譯和仿真命令中加入幾個(gè)開關(guān)項(xiàng)即可。
對(duì)于小規(guī)模和中等規(guī)模的模塊，它對(duì)磁盤空間和工作站內(nèi)存的要求是適中的，因此可以容易地將OBC工具加入到現(xiàn)有的設(shè)計(jì)流程中。但是，對(duì)于大規(guī)模的芯片級(jí)仿真，OBC對(duì)于仿真時(shí)間將會(huì)有顯著的影響，并要求占用工作站的較多內(nèi)存。OBC對(duì)于這種非常大規(guī)模的設(shè)計(jì)所帶來的好處尚有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
可觀測(cè)性的概念對(duì)于傳統(tǒng)的代碼行覆蓋率分析來說，是一項(xiàng)非常有價(jià)值的補(bǔ)充。它對(duì)于提高一個(gè)測(cè)試包質(zhì)量的好處是確定無疑的。將數(shù)據(jù)的變化傳送到一些觀測(cè)點(diǎn)的概念與傳統(tǒng)的故障仿真類似，但是OBC解決方案在仿真速度和內(nèi)存需求方面所要求的代價(jià)較低。
在評(píng)估過程中也發(fā)現(xiàn)了少數(shù)幾項(xiàng)缺點(diǎn)：
?運(yùn)行OBC時(shí)需要進(jìn)行一次單獨(dú)的編譯，而且不能與其它諸如條件覆蓋率和翻轉(zhuǎn)覆蓋率等選項(xiàng)結(jié)合使用。
?在觀測(cè)到某個(gè)寄存器的某一位時(shí)，OBC假定整個(gè)寄存器均被觀測(cè)到。這一假定對(duì)于移位寄存器來說屬于典型情況，但很明顯這項(xiàng)假定過于樂觀。在內(nèi)存中的一個(gè)字被觀測(cè)到時(shí)，也會(huì)發(fā)生同樣的情況：OBC假定整個(gè)內(nèi)存均被觀測(cè)到了。
?OBC對(duì)數(shù)據(jù)路徑代碼的分析是良好的。但是，它把時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)等僅用于always塊的事件控制的控制邏輯信號(hào)認(rèn)定為未觀測(cè)到。
這就導(dǎo)致了分析結(jié)果會(huì)過于悲觀。但是對(duì)于通過采用“if”和“case”等語句描述的控制邏輯的判斷是不錯(cuò)的，即OBC認(rèn)定它們屬于可觀測(cè)到的信號(hào)。
OBC改進(jìn)建議：
?有關(guān)上述移位寄存器的問題：很明顯，如果要對(duì)所有寄存器的所有位均單獨(dú)進(jìn)行分析，會(huì)過于耗費(fèi)時(shí)間和內(nèi)存。但是，應(yīng)該提供一項(xiàng)參數(shù)選項(xiàng)，使得OBC能夠?qū)λx擇的寄存器進(jìn)行逐位的處理。較為理想的是，OBC應(yīng)該從源代碼中自動(dòng)地檢測(cè)出移位寄存器。
?對(duì)于內(nèi)存來說也是如此：由于內(nèi)存數(shù)量可能非常大，逐字對(duì)所有內(nèi)存地址進(jìn)行處理在絕大多數(shù)情況下不可能實(shí)現(xiàn)。但是，OBC應(yīng)該能夠?qū)λx地址范圍進(jìn)行逐字處理。
?目前，OBC可以在所選定的模塊上執(zhí)行其分析任務(wù)，其中包括整個(gè)次層級(jí)。
但是，對(duì)于芯片級(jí)的仿真來說，獲取低級(jí)模塊中所觀測(cè)到的代碼行的相關(guān)信息并無多大意義。在芯片級(jí)的集成中，其重點(diǎn)更主要地集中在最高2至3層級(jí)。是否存在一種方法，能夠規(guī)定OBC不到模塊級(jí)做檢查，或者只到極少數(shù)的幾級(jí)做檢查？