Assertion-Based Verification(ABV): основные понятия, принцип работы и примеры

Метод Assertion-Based Verification (ABV) (верификация на основе утверждений) предлагает перспективный способ повышения эффективности проверок и снижения трудоемкости тестирования. Этот метод позволяет на ранних этапах проектирования выявлять ошибки путем добавления в код специальных утверждений, которые служат для проверки корректности работы системы. Внедрение ABV значительно повышает контроль над процессом разработки и позволяет обнаружить даже редкие ошибки, которые сложно выявить традиционными методами.

Основные понятия Assertion-Based Verification

Assertion-Based Verification (ABV), или верификация на основе утверждений, представляет собой метод, активно применяемый для проверки цифровых схем и улучшения их надежности. Основная идея ABV заключается в использовании утверждений (assertions) — специальных конструкций кода, которые определяют и проверяют ожидаемые свойства системы в процессе симуляции или верификации. Эти утверждения позволяют тестировать поведение цифровой схемы и немедленно сигнализировать об отклонениях от ожидаемых значений, тем самым ускоряя выявление ошибок и повышая качество тестирования.

Типы утверждений в ABV включают:

1. Функциональные утверждения: проверяют, правильно ли выполняется конкретная функция системы.
2. Временные утверждения: контролируют соблюдение временных ограничений, что особенно важно для высокоскоростных схем.
3. Утверждения целостности данных: проверяют правильность передаваемой и обрабатываемой информации.

Для формулировки таких утверждений используются специализированные языки описания утверждений, включая SystemVerilog Assertions (SVA) и Property Specification Language (PSL). Эти языки позволяют разработчикам описывать различные аспекты ожидаемого поведения схемы на разных уровнях абстракции, создавая выражения, которые легко интегрируются с процессом симуляции или формальной проверки.

ABV играет важную роль на всех этапах жизненного цикла разработки, поскольку позволяет добавлять утверждения на этапе написания кода, что способствует своевременному обнаружению ошибок и улучшению качества верификации.

Принципы работы ABV с использованием Immediate и Concurrent Assertions

Одним из ключевых аспектов работы метода ABV в цифровых системах является применение различных типов утверждений, которые позволяют проверять как мгновенные, так и временные характеристики схемы. В SVA для этого используются Immediate Assertions и Concurrent Assertions, каждая из которых подходит для своих задач в рамках проверки логики и времени выполнения.

Immediate Assertions применяются для мгновенной проверки логических условий и запускаются сразу при их вызове. Эти утверждения полезны для проверки текущего состояния системы в фиксированный момент времени, не требуя сложной временной логики. Immediate Assertions чаще всего используются для отладки и тестирования на уровне кода, когда важно определить, выполняются ли базовые условия. Например, такое утверждение может проверять, что значение определенного сигнала остается в пределах допустимого диапазона на конкретном этапе симуляции. При обнаружении несоответствия Immediate Assertion сразу же фиксирует ошибку, что помогает быстро локализовать проблемы.

Concurrent Assertions позволяют задавать временные свойства, контролируя поведение сигналов и состояний системы в течение нескольких тактов или циклов. Они часто используются для контроля правильности взаимодействия между компонентами схемы и для проверки соблюдения временных ограничений. Concurrent Assertions описывают ожидаемое поведение на временном промежутке, что делает их идеальными для проверки логики, зависящей от последовательности событий. Например, Concurrent Assertion может следить за тем, чтобы один сигнал становился активным после того, как был активирован другой, и соблюдалось заданное время задержки. Если такое условие нарушается, Concurrent Assertion фиксирует ошибку и указывает на её место.

Принципы работы Immediate и Concurrent Assertions в SVA включают:

1. Формулирование утверждений для критических условий: Immediate Assertions применяются для быстрой проверки базовых логических условий, а Concurrent Assertions — для временной проверки сложных последовательностей. Это позволяет разработчикам одновременно контролировать логику и синхронизацию сигналов.

2. Распределение утверждений по коду: Immediate Assertions обычно размещают в точках, где важно контролировать текущие состояния. Concurrent Assertions используются на уровне взаимодействия модулей или синхронизации, что позволяет проверять более сложные аспекты системы.

3. Интеграция с симуляцией и формальной верификацией: Оба типа утверждений эффективно работают в рамках симуляции и формальной проверки, где Immediate Assertions моментально сигнализируют о нарушении условий, а Concurrent Assertions фиксируют ошибки в последовательности событий.

Примеры использования ABV с помощью SVA

Использование ABV в проектировании цифровых систем с помощью SVA дает разработчикам возможность проверять корректность работы модулей на различных уровнях. Ниже приведены примеры кода, показывающие, как эти утверждения помогают реализовать ABV на практике.

Пример использования Immediate Assertions

// Проверка допустимого диапазона значений data_in
always_ff @(posedge clk) begin
    assert(data_in >= 0 && data_in <= 255)
        else $error("Ошибка: значение data_in вышло за пределы допустимого диапазона");
end

В этом примере Immediate Assertion проверяет, чтобы сигнал `data_in` находился в диапазоне от 0 до 255 при каждом положительном фронте сигнала `clk`. Если значение выходит за пределы, система фиксирует ошибку, что помогает сразу обнаружить некорректные значения на входе.

Пример использования Concurrent Assertions

property valid_after_ready;
    @(posedge clk) ready |=> ##1 valid;
endproperty

assert property(valid_after_ready)
    else $error("Ошибка: сигнал valid не активирован через один такт после ready");

Здесь Concurrent Assertion задает временную зависимость: когда сигнал `ready` становится активным, сигнал `valid` должен активироваться через один такт. Если `valid` не активируется через указанный такт, проверка фиксирует ошибку, что помогает выявить проблемы синхронизации между сигналами.

Пример использования Concurrent Assertions для проверки протокола обмена данными

Самым доступным примером является в интерфейсах передачи данных часто необходимо убедиться, что сигнал подтверждения приходит после сигнала запроса в течение определенного времени или нахождения обязательного инвертированного бита после n-ого кол-ва одинаковых битов. Также может проверять целые слова протокола передачи.

Заключение

Immediate и Concurrent Assertions, реализованные с помощью SVA, позволяют разработчикам проверять как мгновенные логические условия, так и временные зависимости между сигналами, что делает ABV мощным и гибким инструментом для верификации сложных цифровых систем. Эти утверждения помогают повысить надежность проектирования и упростить отладку, указывая на ошибки непосредственно в процессе симуляции.

FAQ

1. Что такое Assertion-Based Verification (ABV)? Assertion-Based Verification (ABV) — это метод верификации цифровых систем, основанный на использовании утверждений (assertions), которые проверяют ожидаемое поведение схемы или системы на различных этапах разработки. ABV помогает автоматически обнаруживать ошибки, улучшать качество тестирования и ускорять процесс отладки.
2. Чем полезны Immediate и Concurrent Assertions в ABV? Immediate Assertions идеально подходят для проверки одноразовых логических условий, таких как диапазоны значений или логические связи между сигналами. Concurrent Assertions обеспечивают проверку временных аспектов системы, таких как соблюдение временных задержек между сигналами, что особенно важно в высокоскоростных интерфейсах или сложных схемах синхронизации.
3. Как использовать SVA для верификации протоколов обмена данными? В SVA можно создавать Concurrent Assertions для проверки временных зависимостей между сигналами, например, чтобы убедиться, что сигнал подтверждения (
   ack) активируется в течение заданного числа тактов после активации сигнала запроса (
   req). Такие проверки необходимы для обеспечения корректности работы протоколов, таких как SPI или I2C.
4. Можно ли использовать ABV для формальной верификации? Да, ABV отлично интегрируется с формальной верификацией. С помощью утверждений можно проверить все возможные состояния системы, что позволяет гарантировать соблюдение заданных условий в любых сценариях работы. Это особенно полезно для критичных систем, где требуется высокая степень уверенности в их корректности.
5. Какие инструменты поддерживают использование SVA? Существуют различные инструменты для симуляции и формальной верификации, поддерживающие SVA. Среди них можно выделить Synopsys VCS, Cadence Incisive, Mentor Graphics Questa и другие, которые предоставляют возможности для интеграции SVA в процесс разработки и верификации.