面向异构多核处理器的FPGA验证

李小波 唐志敏 李 文

1(计算机体系结构国家重点实验室(中国科学院计算技术研究所) 北京 100190) 2(中国科学院大学计算机科学与技术学院 北京 100049) 3(上海处理器技术创新中心 上海 200120)

近年来，伴随着处理器应用领域的不断拓展，实际应用对处理器应对复杂场景的功能需求不断提高，面向通用计算场景的传统通用处理器逐渐不能适应这些需求，因而面向复杂应用需求的异构多核处理器不断涌现.对于高性能的异构多核处理器，由于其核组众多，核内架构复杂，核间通信多样，高速外设接口丰富，整体设计规模十分庞大.随之而来的是待验证的状态空间成倍的增长[1]，对其进行完备的功能验证已经成为异构多核处理器设计工作中的瓶颈.

传统基于软件模拟验证(simulation)[2]的方法具有灵活性强，使用简单的特点，但随着异构多核处理器逻辑单元规模增大，全芯片系统级模拟验证速度下降明显.虽然采用基于事务(transaction)[3]的验证方法可提高验证对象的抽象层次，从而加快验证的速度，但对于我们待验证的目标设计，其运行速度也只能达到几十赫兹(Hz),甚至几赫兹，并时有软件模拟EDA(electronic design automation)工具及环境崩溃，根本无法运行大量广泛的系统级测试程序，更别提进行复杂的软硬件混合验证.

基于硬件仿真加速器(emulator)的仿真验证[4]，其运行速度可达几百千赫兹(kHz)，甚至优化后能到兆(MHz)级.但其运行环境要求高[5]，维护成本高[6]，价格十分昂贵；另一方面虽然其运行速度比模拟速度提升几百到几千倍，但其仍然达不到运行操作系统、编译器、系统级软件应用和性能、压力测试程序等的要求.

现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)原型验证通过使用商用FPGA实现处理器设计的大部分功能(PHY，(phase locked loop, PLL))等模拟定制电路无法在FPGA上实现)，可以进行高速的原型验证[7].由于其运行速度通常可达几十到百兆级，可用可以运行更多更广泛的真实的测试程序和系统软件，经常可以发现许多软件模拟验证难于发现的问题.不仅如此，模拟验证和硬件仿真等手段，一般只能连接测试模型或者虚拟设备，这可能带来验证环境与真实物理设备行为之间的差异，而FPGA平台却可以直接连接外围真实的物理设备，用于系统级软件开发、测试和性能分析等方面，从而广泛被采用于处理器的开发验证中，并发挥着十分重要的作用.

1 相关工作

目前，FPGA验证平台和验证方法在不同架构的处理器验证中也都有成功应用[8].英特尔(Intel)公司[9]基本在其每一代处理器[10-11]设计验证、性能分析中都有采用FPGA平台，以弥补传统模拟验证的不足.国内龙芯团队[12]采用了多FPGA验证平台完成了龙芯-2G的FPGA验证工作.这些FPGA验证平台主要侧重于单一架构，单一处理器核心在FPGA上的原型验证，而对于多晶粒(Die)的异构多核高性能处理器芯片如何进行FPGA平台的构建和及其FPGA调试验证方法暂未涉及.此外，这些原型验证平台，并没有涉及系统级的FPGA验证环境实现，大部分解决方案是将FPGA连接到已有主板上[11].但是如果是第1代芯片的研发，主板系统不可能在芯片验证阶段准备就绪，这就需要我们独立构建基于FPGA的系统级验证平台.

本文提出的基于同构对称FPGA平台对异构多核高性能处理器的FPGA验证、调试方法，有效地利用了异构多核处理器的架构特征，同构FPGA的对称特点，以层次化的方法自顶向下划分FPGA功能，自底向上构建FPGA平台.采用差速桥(speed bridge)和自适应时延(adaptive delay)调整采样等技术，结合内嵌的虚拟逻辑分析仪(virtual logic analyzer, VLA)调试工具可以快速地完成FPGA平台的点亮和部署.运用多核互补，核间替换模拟的调试SHELL等验证方法可以有效地完成对目标高性能异构多核处理器及整个SOC芯片系统级的FPGA验证.

Fig.1 The architecture of heterogeneous multi-core processor

本文的贡献主要有6个方面:

1)结合目标处理器架构，采用了层次化灵活可配置的方法，以子功能模组、功能模组、异构多核模组、晶粒(Die)，自底向上、逐级递进的方法，最后扩展到全芯片，完成了FPGA平台的构建；

2)针对高速I/O接口协议速度快、频率高，且全系统FPGA实现时FPGA频率较难达到实际协议速率等问题，运用了差速桥方案，成功实现了高速I/O速率匹配，完成了系统级的高速I/O互联，从而实现了大量高速I/O接口的FPGA验证和软件驱动的提前开发；

3)对于多晶粒的FPGA平台互联，由于每个FPGA平台独立配置，它们上电顺序和时钟相位无法保证同步对齐等问题，通过插入可配置的自适应时延控制逻辑，有效地解决了信号跨多个FPGA平台同步采样问题；

4)在FPGA调试过程中，通过构建VLA，有效地解决了FPGA平台调试难题，加速了平台点亮和后续验证调试进程；

5)在FPGA验证过程中，根据异构多核处理器的特点，提出了大小核互换、多核间模拟替代、内嵌调试SHELL等方法，可以方便快速地进行软硬件协同验证，巧妙地解决了软件任务如何在核间划分，负载均衡等工作；

6)应用该FPGA验证平台，可极大加速异构多核处理器验证进程，明显缩短硅前(pre-silicon)FPGA验证时间，有效地保证芯片一次性流片成功，同时在芯片设计阶段就为软件开发提供了一个高效的开发调试硬件平台，可提前在这个硬件原型系统平台上进行软件开发测试，及早发现软硬件协同设计问题，并且可以为硅后验证(post-silicon validation)，及后续项目的架构设计提供有效可靠的平台保障.

2 目标异构多核处理器简介

2.1 目标异构处理器结构

本文需要进行FPGA验证的目标处理器是一款异构多核高性能处理器，其总体结构如图1所示.该处理器由若干个晶粒互联组合封装而成，单个晶粒约10亿门，规模十分巨大，设计复杂度高.该处理器既包含负责初始化启动和安全管理的精简指令集(reduced instruction set computer, RISC)处理器核(简称小核)，也包括用于各种复杂计算处理的通用复杂指令集(complex instruction set computer, CISC)处理器核(简称大核)，还包括用于Die间互联切换控制、功耗能效管理的数字信号(digital signal process, DSP)处理器核(简称控核).同时还包括多通道最高速率可达3 200 Mbps支持ECC的DDR4(double data rate 4)内存控制器，及大量高速外设接口，比如多个16 Gbps的PCIe4.0、若干6 Gbps的SATA3.0，10 Gbps的USB3.1，10 Gbps Ethernet等高速I/O接口，此外还有各种低速的调试、维护管理接口等.

2.2 目标异构多核处理器功能划分

图1处理器架构中从功能的角度出发，可以将整个处理器按功能划分为复杂指令集(CISC)处理器核组，精简指令集(RISC)处理器核组，数字信号(DSP)处理器核组，多路内存(DDR4)存储控制器组，各种高速互联接口组，低速调试接口组.接下来，从各个功能组团中选取具有代表性的一个核(模块)进行FPGA验证，最终我们选择了1个CISC核心，1个RISC核心，1个DSP核心，1个DDR4.0通道，1个PCIe4.0接口，1个SATA3.0接口，1个USB3.1接口，1个Ethernet接口和一些低速调试管理接口作为一个典型的最小配置.这样做有2方面原因：1)每个功能模组都有一个完备的功能模块，可以有效验证单个核/模块正确性；2)避免大量同质的复制，增大了FPGA规模，导致容量、成本、时间等一系列问题.

待最小配置的FPGA平台成功完成点亮并稳定运行后，再根据测试需求，可以添加更多核心和功能模块.比如当需要测试同构多核通信和缓存一致性，就可以添加2个或更多的处理器核心，让多个核心并发访问缓存页面，在测试例程检查结果同时，还可以通过后续第4节介绍的VLA记录总线上的访存序列，查看是否符合预期.如果需要并发压力测试多个I/O的吞吐率，可以集成更多的I/O模块，并通过调试SHELL驱动多个模块测试例程并发运行，以更真实地模拟实际芯片的工作情况，提高验证覆盖率.

2.3 目标异构多核处理器FPGA验证的挑战

虽然经过2.2节的功能核(模)组划分裁剪后，待验证处理器规模已经缩减了很大一部分，但其规模仍然很大，内部结构复杂，高速接口种类繁多，对其进行FPGA验证及软硬件协同开发调试等依然面临诸多挑战，主要包括：

1)目标异构多核处理器架构内部互联复杂，逻辑规模庞大，高速I/O较多，如何划分映射到多片FPGA上，并满足目标芯片在模块级/系统级，单核/多核，单模块/多模块，单晶粒/多晶粒及全芯片等不同规模配置下的灵活快速点亮并实施有效验证，是一个巨大挑战；

2)FPGA验证平台相比传统模拟验证和硬件加速器验证，信号可观察性、可控制性更差，调试十分困难，迭代周期长，如何设计一个模块化，灵活易用的虚拟逻辑分析仪，是一个亟待解决的问题;

3)目标异构多核处理器，不同于传统同构多核处理器，如何进行异构核间协同、软件任务划分、负载均衡、系统调度，如何有效利用异构多核的架构进行更有效快速验证，也是一个值得探讨方向.

本文后续章节将分别介绍如何应对这些挑战，解决本节提到的各种问题，最终完成该异构多核处理器的FPGA平台构建、调试、软硬件协同验证及硅后问题在FPGA平台上的复现.

3 FPGA原型验证平台构建

本节将详细介绍如何根据目标异构多核处理器架构，构建灵活可扩展的FPGA平台.具体工作包括：设计裁剪及容量预估，FPGA平台选型、逻辑分片及时分复用、差速桥集成、时钟等比缩放、多平台互联等.

3.1 设计裁剪及容量预估

如2.2节所述，由于待验证异构多核处理器规模巨大，现有最大的FPGA容量也相去甚远，如何裁剪设计的规模成为FPGA平台能否构建的前提.具体方法为：

1)同质核心空壳(empty shell)，由于本处理器采用了异构多核架构，每种架构处理器可能有一个或若干个，在不改变系统顶层情况下，最灵活方法是每种架构的核组只保留一个核心，其他同质核心全部替换为空壳(shell).在设计时我们经过精心考虑，在空壳核心输出信号连接合适初始化值(tie0/tie1)的状况下可以保证整个全片仍然能正常工作.

2)保留必不可少模块，分步集成各核心和高速I/O模块，自底向上策略逐步扩大验证规模.待最小配置点亮后，再根据验证需求添加更多的处理器核心和功能模块.

3)资源预估，对每个功能子模块进行面积、引脚、时钟等资源评估.

图2展示了待验证目标系统的最小配置下各功能模块的面积，在小饼图中我们可以注意到单个CISC核心面积(大核)是RISC核心(小核)和DSP核心(控核)的20倍以上，相差很大，这给FPGA资源分配和规划带来新的挑战，同时也是本文第5节中使用大小核模拟替换协同验证的重要原因.

3.2 FPGA平台选取

根据不同芯片架构对FPGA验证需求的不同，会选适合待验证芯片架构的FPGA验证平台，有FPGA平台基于其自身架构的特点和验证的需要选取了子母板架构[13].而基于我们待验证的处理器，其异构多核对称多晶粒架构的特点以及为了满足本文第4节介绍的通用调试接口需求，经过多种权衡考量，最终采用了统一架构的FPGA平台.这样做有利于验证平台的层次化、模块化，具有灵活易扩展等特性，方便多个晶粒级联，并具有统一的外部接口.FPGA型号方面，由于设计规模巨大，选择Xilinx公司[14]目前较大容量的XCVU440芯片，每个验证板上包含4颗该芯片，引脚数为1 456，分别连接到24个连接头上,每个连接头可以传送50个有效信号，其逻辑示意如图3所示.

Fig.2 The area pie of the each function module

Fig.3 FPGA board connection logic

3.3 分片及时分复用

对于单颗XCVU440虽然其等效ASIC达到了约2 600万门左右，但是相对于我们需要进行FPGA验证的目标复杂异构多核处理器规模，仍然相距甚远，不可避免需要使用多片FPGA才能完成.对于待验证目标处理器到多片FPGA的逻辑分片，如果使用纯手工对设计划片，虽然可以得到比FPGA划分工具更好的结果，但这需要有对设计十分了解的有经验的工程师和较长的时间迭代;如果尝试使用EDA工具的自动分片，较难得到期望的理想结果，而且从资源预估结果看需要使用80多片FPGA才能实现，目前现有的FPGA工具难于处理如此大规模的设计.

为了解决这个难题，结合芯片架构特征我们采取了人工深度干预FPGA工具的混合划片方法：

1)自顶向下，对称逻辑划片以晶粒为第1层次进行切割划分以减少综合、布局布线FPGA数量；

2)晶粒内部，结合3.1节预估信息，裁剪部分同质核心/模块，减小规模后，同时根据芯片互联数据通路及微架构，首先人工固定部分需要外接到I/O引脚的功能片(tile)和需要特殊处理的功能模块后，再引入自动划片工具对其他剩余逻辑进行划分；

3)基于文献[15]介绍的K-L划分方法，调整部分功能片，让紧耦合互联信号多的模块尽量放在同一片FPGA内，尽量前期减少互联信号总数；

4)采用时分复用方法[15]，以高频时钟传输接口信号来满足FPGA片间传输较多信号超过连接引脚(pin)数的需求.

通过这4个方法，可以将一个经典配置划分在12颗FPGA中，而纯FPGA工具需要19颗FPGA，得到一个相对较优的划分结果.此外，根据FPGA板拓扑位置，将DDR4和低速调试I/O接口放在一个FPGA板中(图4Board1)，高速I/O接口统一划分在另一个FPGA板中(Board3)，跨晶粒互联全部位于Board2，形成非常规整的对称结构，这十分易于多FPGA平台互联实现.

3.4 差速桥实现

由于目标验证异构多核处理器内集成了DDR4存储控制器，PCIe4.0，SATA3.0，USB3.1，万兆Ethernet等众多高速I/O外设接口，为了验证它们的逻辑正确性，需要在FPGA平台上实现这些高速I/O接口.

如果根据标准协议，PCIe4.0和SATA3.0等高速接口真实速度较快，对FPGA工作频率要求非常高.而目标芯片在划分互联后，芯片内部控制逻辑需要跨越多个FPGA板和多颗FPGA芯片，其频率已经很难达到诸如PCIe4.0的全速率要求，这就需要通过差速桥来匹配FPGA和真实接口之间的速率，使PCIe4.0，SATA3.0等高速接口能在FPGA平台上以低速的形式实现.最终平台整体架构如图4所示:

Fig.4 The overall architecture of FPGA platform for target processor(single Die view)

3.5 跨晶粒(Die)平台互联

目标验证异构多核芯片，采用了多晶粒封装架构，需要将图1的多晶粒组合起来，进行多晶粒互联验证和性能分析等.如果增加一个新的顶层，完全交给FPGA工具划分，由于工具处理能力有限，会导致FPGA工具崩溃；另一方面效率低下，我们以4晶粒互联为例，需要完成多达48颗FPGA的划分、综合、布局布线、生产下载文件的全流程，迭代一次需要一周以上.鉴于此，如果能利用到晶粒之间功能对称以及FPGA规整互联的特性，就可以极大简化这项工作.

由于晶粒内部逻辑功能完全一致，如果不需要考虑晶粒间的上电顺序和信号时钟同步(后面将介绍如何解决上电顺序和时钟采样同步)，只需要通过改变FPGA引脚在启动时的上下拉高低值，就可以区分主晶粒(master)和从晶粒(slave).引脚上拉的主晶粒在系统启动过程中，固件(firmware, FW)会根据当前晶粒的主从情况，选择不同初始化执行路径，在等待主从晶粒完成数据通路建立后(Step5)，主晶粒固件就可以完成对其他从晶粒的配置工作.另一方面由于FPGA平台选取了统一的架构和相同型号的FPGA，就可以所有晶粒都采用一样的FPGA配置文件，这样只需要完成单晶粒的12颗FPGA平台实现以后就可以同时支持多晶粒的互联部署，这极大地提高了工作效率，缩短调试时间.

而多晶粒(多FPGA平台)的上电顺序和互联的信号和时钟如何同步，也是一个亟待解决难题.结合Die间互联协议和采样的要求，我们引入了自适应与软件可配置的时延控制机制，成功实现了接口采样的准确互联和信号同步，具体原理如图5所示:

Fig.5 Adaptive delay synchronized logic

自适应延迟电路嵌入接收端(RX)，通过寄存器修正接收到信号延迟，本设计中根据延迟需求，采用800 MHz高频时钟(clk_hi)控制采样时延，每个时延步长1.25 ns,共4 b控制，延迟区间范围0～20 ns，可以覆盖接口传输信号的全周期.

自适应时延调整主要分6个步骤:

1)FPGA平台系统上电完成，各平台时钟启动、Reset等释放；

2)发送端复位完成后，自动发送训练序列;

3)接收端状态机根据采样结果，不断修正控制选择寄存器，控制输入信号以1.25 ns为步长持续滑动，以调整接收数据和采样时钟rx_clk之间相位；

4)当接收信号符合预期后，控制状态机结束时延修正，并通知发送端停止发送训练序列；

5)固件在启动序列中，会轮询(polling)控制寄存器值，进行软硬件同步，确认FPGA平台间数据采样同步完成；

6)软件进入下一步，控制FPGA平台接口间进行正常的数据传输，多晶粒FPGA平台同步完成.

4 FPGA平台调试技术

如何提高FPGA的调试能力，是FPGA平台能否快速点亮部署和定位硬件/软件问题的关键.基于传统的FPGA自带工具抓取信号的方法，常常受限于FPGA内部存储(memory)容量限制，不能观察较多信号，较长时间(信号深度).另一种方法是将信号外接到引脚(pin)借助逻辑分析仪等调试设备，也受限于可用引脚限制和采样深度，只能选取一些关键信号.而对于目标验证芯片，其内部数据总线的位宽较大，需要观察信号也非常多，利用FPGA的I/O管脚做调试引脚常常会I/O数量不足.另一方面，在多核处理器芯片调试过程中，常常由于异构多处理器架构叠加多核多线程和分支预测、推测执行等复杂技术，导致问题表现得一定随机性，有时候测试进行几个小时就能发现问题，有时候需要几十个小时才能碰到问题，这就需要记录多个处理器核的多个线程的长时间运行指令序列(PC值)，以进一步分析和定位问题.针对这些调试难题，我们自研了基于以太网口的虚拟逻辑分析仪(VLA)，其基本结构如图6所示.其主要分为3个功能模块：信号获取、信号传输、信号解析.

Fig.6 Basic architecture of VLA

4.1 VLA信号获取

VLA信号获取是一个标准化的模块，只需要实例化在设计中，然后将需要获取信号，或者调试总线等连接到该模块顶层端口上，并连接上一致性的时钟，复位和控制信号就可以完成信号的获取，使用起来十分简洁.

此外，还可以通过软件配置寄存器来灵活控制VLA的触发(trigger)，可以在任意时刻或者软件发现错误时开始信号获取、暂停、再获取.结合软件配置选择调试信号的输出，灵活地控制需要获取时间段，信号深度等参数.

4.2 VLA信号传输

最终的获取信号会通过一个或多个以太网(Ethernet)硬件控制器自动封包成符合Ethernet包(packet)格式的以太网包，并通过FPGA上以太网控制器发送出去，通过网络传输给任意目标主机.由于调试信号是实时传输到主机，几乎不占有FPGA自身存储空间，其信号的获取深度理论上可以无限大(只要主机存储空间足够大)，这成功地解决了FPGA自带调试工具和外接逻辑分析仪等设备获取调试信号深度有限的问题.

4.3 VLA信号解析

目标主机可以通过常用的抓包程序(如Wire-shark,Sniffer等)捕获以太网包，并存储在特定文件中.结合信号的获取顺序和位宽，通过脚本简单处理收到的以太网包中的数据，再呈现给设计、验证及软件人员.而且由于处理器系统级验证特殊性，在大部分情况下并不需要再看波形，只需要分析回放(replay)指令执行序列，软件工程师就可以直接定位出错的指令序列，十分易于调试，这极大地提高了工作效率.当然，VLA不仅仅可以用于记录程序执行序列，根据调试验证模块的不同，还可以记录其他希望观测调试的信号.比如控制总线事务，DDR读写序列(sequence)，PCIe DMA序列等信息，这十分便于对相关模块工作状态的检查和调试.

5 异构多核处理器验证方法探索

本节将介绍使用本文构建完成的FPGA平台，结合异构多核处理器的特点，开展相关FPGA验证工作.

5.1 异构处理器间协作验证动机

本目标异构多核处理器设计十分复杂，不同核组之间的规模和复杂度都相差较大，如图2所示.其中尤以CISC核为甚，该大核需要占用较多的FPGA资源，且其初始化启动过程繁复，用时较长，需要操作系统和驱动软件加载支持.如果在验证调试初期，希望能较快直接测试其他待测功能模块(例如PCIe接口)，这时可以利用异构多核的特点，使用另外的一个异构的RISC核(简称小核)来完成PCIe的快速初始化和直接测试.此外，对于芯片的硅后问题定位，也可以在更简单直接的小核系统中进行复现.

5.2 异构处理器间模拟替代

目标异构多核处理器，根据架构设计情况，在正常工作时，CISC，RISC，DSP核间各有任务分工.在FPGA验证过程中，为了更灵活地验证设计，如图1所示，这些核组都连接在芯片内部的数据和控制总线上，因此可以完成异构核间相互模拟替换，在更早阶段，以更少的资源就可以开展其他各个高速外设模块或处理器核间的交叉验证，这样既节约了FPGA资源，又简化平台点亮，极大地加快了原型验证测试进程.此外，采用大小核方式协调还十分有利于问题排除法定位，芯片硅后调试时也可以用于开展各个模块(特别是各高速外设)的问题复现(reproduce).为此我们引入了专用于FPGA原型验证和硅后验证的调试解释外壳程序(调试SHELL).

5.3 调试SHELL工作流程

调试SHELL是一组专用于FPGA原型验证和硅后问题复现的测试程序集合及其构建的裸芯片(bare-metal)运行环境，它可以灵活地内嵌在异构多核处理器正常启动流程的适当阶段.如图7所示，调试SHELL作为工程开发模式一部分，在RISC处理器引导程序完成后，可以选择是否进入调试SHELL，调试SHELL一旦开启，就可以以更灵活直观方式对设计中的其他功能模块或处理器核心进行测试.

Fig.7 The flow of Debug SHELL

此外，调试SHELL由于不依赖于软件库(lib)和操作系统(operating system, OS)，可以嵌入任何一种架构的处理器核上执行，使用起来非常灵活.除管理测试例程之外，它还为测试例程提供裸芯片(无BIOS，OS支持)的运行环境，它主要有3方面重要功能：1)地址映射.CISC处理器、RISC处理器、DSP处理器数据通路差异，地址空间的映射不一样，这需要调试SHELL来加载测试例程和初始化对应处理器的堆栈空间等基本运行环境.2)存储管理.多个测试例程存放位置、运行地址、内存和内部SRAM空间分配和管理等.3)多测试例程简单并发.调试SHELL可以宏观上“同时”启动多个测试例程，比如测试例程1主要测试PCIe，测试例程2测试USB，调试SHELL可以并发调度例程1和例程2执行，让PCIE,USB同时工作，从而能更真实模拟实际芯片工作场景，增加测试覆盖率和测试压力.

以调试SHELL工作在小核上为例，其主要工作划分8个步骤:

1)FPGA平台系统上电启动；

2)管理处理器核组(小核)解复位，开始Bootcode管理程序执行和系统初始化;

3)管理程序执行完成，进入是否开启调试SHELL选项，如果选择开启，进入4)，否则进入正常启动执行7)；

4)调试SHELL初始化，并进入交互界面，并选择测试例程X进入5)，或选择结束测试进入1)，重新启动系统；

5)进入测试例程X，并开启对应测试验证；

6)测试用例X执行测试完成并反馈测试结果，返回4);

7)开启引导程序流程，并解复位主处理器核(大核)；

8)主处理器开始正常程序启动流程，完成系统启动.

Fig.8 Stage of FPGA verification

6 FPGA原型验证结果

通过构建灵活可配置的FPGA平台，可以实现多核异构处理器内各核组、各模块的FPGA原型验证，通过异构处理器大小核互补迭代，可以方便实现芯片不同规模，不同研制阶段，硅前、硅后验证及软件开发测试需求，并为后续下一代项目提供快速评估平台.结合我们项目经验，主要分4个FPGA验证的不同阶段，如图8所示，参考每个阶段发现的硬件设计问题、软件问题及对项目的贡献等因素可以计算FPGA在各个阶段收获的验证成果.

1)流片前验证阶段(阶段1).在流片前FPGA搭建、各个功能模块点亮、后续固件(FW)，主机BIOS、软件驱动的开发，标准性能测试(SPEC)过程中，总共运行了1 600多支测试(test cases)，产出了一半的验证成果.由于该FPGA平台最高可以运行在14 MHz的频率下，能够进行完整操作系统(OS)的启动全流程，同时可以对各功能模块实施更多更广泛的功能验证和全系统的性能测试.以OS启动为例，只需要40 min可以完成Linux启动过程，而这需要几百亿个时钟周期，如果在传统基于模拟验证的方式下几乎无法在流片前完成.此外在这一阶段，发现了一些严重的设计问题(bug)，并得以在流片前及时修复.

2)流片后到芯片回来阶段(阶段2).这一阶段一般持续约9～16周.在这个阶段虽然芯片已经流片，但芯片并未回来，可以在这一段较短时间内利用FPGA平台完成软件驱动的开发测试、芯片压力测试、性能分析等工作，并为芯片回来后的硅后验证做好准备.在我们实际项目中，在这一阶段内虽然未曾发现芯片设计问题，但却修复了多个系统软件和I/O驱动问题，整体贡献了约10%验证成果.

3)硅后验证阶段(阶段3).这一阶段芯片已经回来，大量的软硬件测试可以在芯片上直接进行，FPGA平台主要提供调试支持性工作.但从我们的项目经验看，这一阶段FPGA平台却提供了约25%的验证成果.在硅后验证发现的问题中，其中有3个极难在软件模拟仿真中被复现，最终都是通过FPGA平台成功复现，并采用第4节介绍的虚拟逻辑分析仪VLA，获取到指令执行序列和错误波形，找出了问题的根源.并基于这些信息，才构造了模拟仿真测试用例，用于芯片ECO(engineer change order)修复验证和后续项目的回归测试集.

4)下一代芯片定义阶段(阶段4).由于同系列芯片的设计和验证天然具有继承延续性，当需要设计芯片下一代时，架构设计者经常需要快速评估一些特性的价值，FPGA平台由于其灵活可配置、迭代运行速度快等优势，能够有效地用于下一代芯片的评估分析中.可以在FPGA平台上快速修改部分处理器实现参数，例如增大或减小处理器一级、二级，三级缓存容量，调整发射队、提交队列深度、DDR访存延迟、I/O延迟等，这对于架构定义和性能优化都十分有益.在我们的处理器研发过程中，这一阶段在整个FPGA的生命周期中贡献了约15%的成果.

7 总 结

本文针对一款高性能异构多核处理器开展FPGA原型验证工作，选取了同构对称FPGA平台对异构多核高性能处理器的进行FPGA验证.以层次化的方法自顶向下划分FPGA功能，自底向上构建FPGA平台，极大地简化了FPGA构建流程.采用差速桥和自适应时延调整采样等技术，结合自研的内嵌虚拟逻辑分析仪调试工具快速完成FPGA平台的点亮和部署.运用多核互补、核间替换模拟的调试SHELL等方法可以快速完成目标高性能异构多核处理器的FPGA验证.因此，本文提供针对异构多核处理器的FPGA验证平台搭建和验证方法是可行且十分高效的，经过采用本文介绍的FPGA验证的目标芯片，达到了预期设计目标.通过该FPGA原型验证平台，成功地完成了该芯片的硅前、硅后验证，软硬件协同开发、测试、下一代芯片架构评估等工作，为该系列芯片的全周期提供了有效的平台保障，并可以推广应用于相类似的异构多核处理器的FPGA平台搭建和测试验证工作中.下一步我们将继续结合异构多核处理器架构特征，研究更有效的FPGA平台构建和调试技术，缩短平台点亮时间，不断提高FPGA平台的调试和验证能力.