写在前面：最近在实习中学习数字验证，每天学习的内容会整理记录下来。首先是对功能验证的理解。本文参考资料为维基百科-Functional Verification词条与文章《The ABCs of functional verification techniques》。如有任何理解有误之处，请务必在评论区指出，感谢！

功能验证是验证一个电路设计是否与预期的设计规范 (Design Specification) 相符合的过程。在功能验证中，有个前提假设是设计规范是正确的（在此不去讨论设计规范的正确性）。这是IC设计流程里较有挑战难度的一步，也是可能导致IC返工的重要原因。

功能验证的目的

• 验证各个IP的功能正确性
• 验证内部模块的通信
• 验证外部模块的通信
• 验证端到端的功能路径
• 验证焊盘Pad的连接
• 验证时钟CLK与复位RST电路
• 验证上电和掉电序列
• 验证所有IP集成的完整性

五大验证技术

功能验证技术有静态验证、功能仿真、FPGA原型验证、硬件仿真、与UVM等。

1 静态验证 (Static Verification)

静态验证不进行电路仿真，输入激励，而是直接通过辅助工具来验证一些预定义的规则，如语法检查、语义检查等。它能够在IC设计流程的早期（RTL代码刚完成时），对设计进行一个初步验证，不需要波形激励或完备验证环境的搭建。在静态验证中，也不对时序进行检查。

1. 目的
   静态验证的目的是在RTL层减少验证成本。
2. 静态验证的方法
   $$\text{静态验证}\{\begin{array}{l}\text{跨复位域检查 }ResetDomainCrossing(RDC)\\ \text{跨时钟域检查 }ClockDomainCrossing(CDC)\\ \text{语法语义检查 }Lint\\ \text{形式验证 }FormalVerification\\ \text{静态检查 }StaticChecks\end{array}$$
3. 静态验证的优点
   （1）在IC设计早期发现bug
   （2）减少时间成本
   （3）能够对设计整体进行静态验证，较为稳定可靠，迅速，详尽
   （4）对大型设计的验证也较为容易

Mentor提供了许多用于静态与形式验证的解决方案与应用，如Questa形式验证, Questa跨时钟域检查（CDC），Questa跨复位域检查（RDC）等。

2 功能仿真 (Functional Simulation)

功能仿真是指通过软件仿真，来验证电路设计的功能行为（functional behavior）。它不考虑电路内部逻辑与互连的延时。

1. 目的
   仿真的目的是进行各个IP或IC模块层次的验证。系统层次的验证无法通过功能仿真实现。

2. 仿真的搭建Simulation Setup
   

3. 步骤流程
   创建一个testbench -> 在testbench中对DUT实例化 -> 提供激励stimuli -> 在仿真器simulator中编译testbench与DUT -> 运行仿真器 -> 观测输出 -> 验证DUT的逻辑是否与预期相同

4. 优点
   （1）能够较快速地搭建一个仿真
   （2）对DUT的结果可视化较好（输出波形可直接观测）
   （3）能够在早期找出DUT的bugs
   （4）能够验证DUT的边界情况corner cases
   （5）成本不昂贵

5. 缺点
   （1）需要跑仿真，速度很慢，耗时较长
   （2）复杂的设计不容易仿真
   （3）难以对整个IC进行验证
   （4）无法全部覆盖所有可能的情况scenarios与状态states
   （5）无法验证是否存在软件上的问题
   （6）缺少对时序相关问题的验证

对于功能仿真，Mentor QuestaSim工具目前是较为主流的，它支持Verilog, System Verilog, VHDL, SystemC, SVA, UPF, UVM等，能够实现高性能、高容量的仿真以及统一的高级调试debug和功能覆盖functional coverage功能。

3 FPGA原型验证 (FPGA Prototyping)

FPGA的原型验证是在FPGA上对IC系统进行功能上的验证。近年来随着IC复杂性的提高与市场的需求增大，FPGA原型验证始终是重要的验证方式。

1. 目的
   FPGA原型验证的目的是通过对电路设计进行实时的数据信号驱动，验证其是否还能如期运行，且外部接口能否正确工作。
2. 步骤流程
   将ASIC代码转换成FPGA代码 -> 编译与对设计拆分 -> 综合 -> 布局布线 -> 从FPGA上下载比特流文件bit files
   
3. 优点
   （1）速度快，减少了设计->产品->市场的时间
   （2）能够在设计早期进行软件开发与检验
   （3）对于航空、军事、医疗等重要IP的验证很有用
   （4）能够对整个IC进行验证
   （5）降低了IC返工的风险
4. 缺点
   （1）相对硬件仿真器emulator而言，编译较慢
   （2）对设计进行拆分时容易出错
   （3）ASIC到FPGA的时钟转换较复杂
   （4）FPGA与FPGA之间的连接比较受限
   （5）FPGA的debug能力很有限
   （6）将ASIC代码转换为FPGA代码的过程很耗时
   （7）搭建FPGA的验证环境昂贵且耗时

4 硬件仿真 (Emulation)

硬件仿真Emulation，也叫硅前验证，是在硬件仿真器上对系统进行功能性验证的过程。硬件仿真器能够处理系统层次的设计（如C, C++, SystemC代码），也能够处理RTL设计（如Verilog, VHDL代码）。硬件仿真器emulators比软件仿真simulators快很多，一个需要花几天时间进行软件仿真的设计，用硬件仿真只需要几个小时。

1. 目的
   硬件仿真是为了通过给实时的数据输入，从系统层面来发现问题，进而验证系统的完整性，也可用于嵌入式软件的开发。
2. 步骤流程
   硬件仿真的过程与FPGA原型验证的过程类似，把FPGA换成硬件仿真工具即可。
3. 优点
   （1）比软件仿真快很多
   （2）比FPGA原型验证的结果可行性更好，因此具有更好的debug能力
   （3）能够对多个设计进行并行验证
   （4）类似软件仿真，硬件仿真能够人为暂停，并之后从暂停处继续运行/仿真
   （5）能够验证嵌入式软件
4. 缺点
   （1）比软件仿真的编译速度更慢
   （2）很昂贵
   （3）建立时间很长，需要花费很多时间来搭建环境
   （4）无法覆盖所有的功能路径functional paths

Mentor的Veloce Strato硬件仿真平台是主流的高性能、高容量硬件辅助解决方案，能够用于嵌入式系统与SoC的验证。

5 UVM通用验证方法学 (Universal Verification Methodology)

UVM是已经定义好testbench结构的代码规范集合。它用System Verilog进行编写，并提供了System Verilog的一些类库（SV base class libary, BCL），能够搭建高级可复用的验证组件。

1. 目的
   许多IP都是非常复杂的，验证过程十分耗时。标准的testbench是难以复用的，对于新的IP，验证工程师需要重头开始编写testbench。因此一个系统性的验证方法学呼之欲出。UVM具有固定的testbench结构，使其高度可复用，进而节省大量时间。
2. UVM架构
   UVM架构包含以下组件：
   （1）配置对象Configuration Object：用于配置环境、代理agent与测试test
   （2）Sequencer：向driver发送序列sequences
   （3）Driver：将序列sequences转换成pin wiggles
   （4）接口Interface：帮助testbench与DUT进行数据通信
   （5）监视器Monitor：检测接口interface上的转换（通信）transistion
   （6）Coverage：从监视器monitor收集覆盖率coverage信息
   
3. 优点
   （1）减少代码编写的人力成本，具有高度可复用性
   （2）支持有约束条件的随机验证方法学
   （3）能够大量产生激励
   （4）缩短了验证的周期
   （5）主流的仿真软件与硬件仿真器都支持
4. 缺点
   （1）基本来说没有缺点，除了需要额外学习UVM技术知识

总结

功能验证是IC设计周期中非常重要的一环。电路设计必须在早期进行功能验证以消除任何潜在的bug。随着设计技术的发展，验证工程师应该要尽量迅速适应最新的验证方法学。