Simulation und weiterführende Simulationstechniken

Transkript

1 Simulation und weiterführende Simulationstechniken Marc Reichenbach und Michael Schmidt Informatik 3 / Rechnerarchitektur Universität Erlangen Nürnberg 05/12 1 / 48

2 Gliederung Einführung Allgemeiner Simulations-Workflow Simulationstools - GHDL Modelsim 2 / 48

3 Gründe für die Simulation Simulation spielt eine entscheidende Rolle in der HW-Entwicklung, weil: Synthesen sehr lange dauern können realer Test sehr teuer sein kann Fehlersuche bei realen Tests sehr schwer ist sehr viele automatische Abbildungen beim realen Test vorgenommen werden Randfälle betrachtet werden können es bessere Debug-Möglichkeiten gibt 3 / 48

4 Simulationsmarkt Simulationsmarkt angetrieben von Cadence und Mentor auch Tools unter GNU verfügbar, erreichen aber bei Weitem nicht die Funktionalität einfache Testbenchsimulation nicht mehr ausreichend zusätzliche Funktionen: TCL, Datenfluss, Schematic, virtuelle Signale,... Simulation eng gekoppelt mit Verifikation "Wieviel muss man simulieren um zu verifizieren?" 4 / 48

5 Simulationsmarkt Produktübersicht Mentor Graphics: Modelsim SE, PE, DE / Questasim Cadence: NCsim GNU: GHDL, GTKwave 5 / 48

6 Übersicht Simulations-Workflow Allgemein besteht die Simulation aus folgenden Schritten: Kompilierung Elaborierung Initialisierung Simulation 6 / 48

7 Übersicht Simulations-Workflow - Kompilierung einbinden vorhandener Bibliotheken kompilieren in einer Bibliothek zwingend logische Namen der Bibliotheken vs. physikalische Namen Generierung von Debugginginformationen Reihenfolge der Dateien beachten Vorgang wird auch als Analyse bezeichnet 7 / 48

8 Übersicht Simulations-Workflow - Elaborierung hierarchische Expansion des Entwurfs rekursives Durchlaufen der Testbench und Auflösen der Komponentenreferenzen so lange Ersetzung, bis nur noch Liste von Prozessen existiert Struktur-, Verhaltens-, und Datenflussbeschreibungen Simulationsmodell = Verbund von Prozessen gekoppelt über Signale Annotieren der Generics Reservieren von Speicherplatz für das Modell Vorgang vergleichbar mit Linker in SW 8 / 48

9 Übersicht Simulations-Workflow - Initialisierung Initialisierung von Signalen auf Standardwerte std_logic bspw. U, Bit? falls gegeben, Initialisierung auf Benutzerwerte (ACHTUNG: kritisch bei Synthese) jeder Prozess wird einmal durchlaufen komplett oder bis zur ersten wait-anweisung 9 / 48

10 Übersicht Simulations-Workflow - Ausführung testen des Schaltungsmodells Generierung der Ausgaben (Waveform) kann ein sehr zeitintensiver Vorgang sein ereignisgesteuertes Simulationskonzept 10 / 48

11 Ereignisgesteuertes Simulationskonzept - Begriffe jedes Signal besitzt eine Ereignisliste darin enthalten sind Transaktionen Transaktionen geben an, zu welchen Zeitpunkt sich ein Signal ändert Transaktionen können in der Ereignisliste überschrieben werden ein Ereignis an einem Signal tritt ein, wenn eine Transaktion ausgeführt wird 11 / 48

12 Ereignisgesteuertes Simulation keine kontinuierliche Simulation, nur an bestimmten diskreten Zeitpunkten Prozess nur dann aktiv, wenn ein Ereignis (Signalwechsel) eintritt Einsprungspunkt: Sensitivitätsliste bzw. wait-anweisung Aufteilung eines Simulationszeitpunktes in mehrere Delta-Zyklen Aufteilung eines Delta-Zyklus in Signalzuweisung und Prozessausführung 12 / 48

13 Ereignisgesteuertes Simulation - Signalzuweisung da Nebenläufigkeit simuliert werden soll, werden zu einem bestimmten Zeitpunkt zuerst die Signale zugewiesen (Signalzuweisung) dann werden alle Prozesse (seriell) abgearbeitet (Prozessausführung) Änderungen an einem Signal innerhalb eines Prozesses werden nicht sofort durchgeführt, sondern in der Ereignisliste als Transaktion vermerkt ist die vermerkte Zeit herangenaht, wird das Signal aktualisiert und die betreffenden Prozesse erneut ausgeführt 13 / 48

14 Ereignisgesteuertes Simulation - Delta-Zyklen Was passiert bei folgedem Datenfluss-Code, wenn sich A von 1 auf 0 zum Zeitpunkt t ändert? C <= A AND B ; E <= C AND D; es werden bei der Simulation 2 Prozesse erstellt, welche sensitiv auf die Eingaben reagieren. es wird Prozess 1 ausgeführt, weil sich A von 1 auf 0 geändert hat und somit C neu berechnet. Was wird in die Ereignisliste als Transaktion eingetragen? 14 / 48

15 Ereignisgesteuertes Simulation - Delta-Zyklen Was passiert bei folgedem Datenfluss-Code, wenn sich A von 1 auf 0 zum Zeitpunkt t ändert? C <= A AND B ; E <= C AND D; Zeitpunkt des Updates ist immer noch t - jedoch infinitesimal später dies nennt man einen Delta-Zyklus, keine Zeit im Modell ist vergangen nachdem alle Prozesse ihre Eingaben gelesen haben und ihre gewünschten Änderungen in die Ereignisliste vermerkt haben, wird zum nächsten Delta-Zyklus gesprungen jetzt zum Zeitpunkt t+1δ, wird C neu zugewiesen und der 2. Prozess des obigen Beispiels wird angestoßen um E neu zu berechnen 15 / 48

16 Ereignisgesteuertes Simulation - Delta-Zyklen Delta-Zyklen werden so oft zu einer Simulationszeit hinzugefügt, wie es Signaländerung im Zeitschritt t gibt Gibt es keine Signaländerungen mehr, wird ein echter Zeitschritt bis zum nächsten Ereignis getätigt Delta-Zyklen werden benötigt um Schaltungen, welche ohne Verzögerungszeit modelliert sind, sauber auflösen und simulieren zu können 16 / 48

17 Delta-Zyklen - Ausgabe im Simulator 17 / 48

18 Delta-Zyklen - Ausgabe im Simulator 18 / 48

19 GHDL + GTKwave GHDL: Ada Implementierung, der Simulator GTKwave: Die GUI zum Anzeigen der Simulationsergebnisse nur Unterstützung der Grundfunktionalität, z.b. keine Recordunterstützung etwas langsam und fehleranfällig zum Beispiel beim Auflösen großer Hierarchien 19 / 48

20 GHDL + GTKwave Workflow analyze der VHDL Dateien (compile & object files) $ ghdl -a datei.vhd Elaboration (design hierachy & simulator code & executable) $ ghdl -e toplevel_unit Ausführung (simulation) $ ghdl -r toplevel_unit --vcd=results.vcd $./toplevel_unit --vcd=results.vcd anschauen und auswerten $ gtkwave results.vcd 20 / 48

21 Besonderheiten IEEE Bibliotheken müssen bekannt gemacht werden $ ghdl --ieee=synopsys -a datei.vhd Arbeitsbibliothek angeben $ ghdl --work=work -a datei.vhd VCD Dateien werden schnell sehr groß $ ghdl -r toplevel_unit --vcdgz=results.vcd.gz Simulationen laufen unendlich lange doppeltes wait oder CTRL+C oder $ ghdl -r toplevel_unit --vcdgz=results.vcd.gz --stop-time=value 21 / 48

22 Exkurs VCD 1 $date Mon May 30 17:00: $end $version GHDL v0 $end $timescale 1 fs $end $var reg 1! clk $end $var reg 1 " reset $end $var reg 58 # x[57:0] $end... $comment xcos is not handled $end / 48

23 Exkurs VCD 2... # ! 0* 0F 0I 0S 0W 0[ 0a 0g # ! b * / 48

24 Modelsim Einführung Kommerzieller Simulator mit sehr vielen Features Einsatz in Lehre, Forschung und Wirtschaft viele verschiedene Versionen Einsatz für Verifikation möglich Unterstützung vieler verschiedener Sprachen Schematic Editor, Dataflow Diagram, Code Coverage, Functional Converage Bedienung über GUI oder Kommandozeile 24 / 48

25 Modelsim GUI (1) Kompilieren der Quellen Compile -> Compile Bibliothek auswählen Dateien auswählen Compile Done 25 / 48

26 Modelsim GUI (2) Simulation starten Heraussuchen der TB-Entity unter Library oder Simulate -> Start Simulation (mehr Optionen) 26 / 48

27 Modelsim GUI (3) Interessante Signale auswählen und simulieren Objects -> to Wave -> Selected Signals Simulate -> Run -> Run / 48

28 Modelsim GUI - Demonstration 28 / 48

29 Modelsim CLI (1) Modelsim vollkommen über Kommandozeile zu bedienen zu jedem GUI Befehl gibt es (mindestens) einen Befehl auf der Konsole Befehle können zu Batch-Dateien zusammengefasst werden vollkommen automatisierter Ablauf von Simulationen Zeitersparnis und automatisiertes Auswerten dazu vollständige Unterstützung von TCL 29 / 48

30 kompilieren der Quellen Modelsim CLI (2) $ vcom -work library design.vhd Simulation starten $ vsim library.entity -novopt für weglassen der Optimierung Singnale ins Waveform übernehmen $ add wave sim:/pfad/zum/signal -radix radix_type zum wechseln der Darstellung (bsp. unsigned) -label Name zum ändern des Namens -divider Name zur grafischen Abtrennung -color Name zur Farbgebung 30 / 48

31 Simulation durchführen Modelsim CLI (3) $ run Zeit Einheit [Zeit Einheit]... Simulieren ohne Testbench (Anlegen von Testwerten) $ force signal value time relative Zeit (Standard) und absolute Zeit (@) -freeze, -drive, -deposit Art der Anlegung des Signals -repeat beispielsweise zur Taktgenerierung Ausführen einer Batch-Datei $ do /pfad/zur/datei.do Werte der Simulation abfragen $ examine signalname -time Abfrage an einem bestimmten Zeitpunkt 31 / 48

32 Modelsim CLI/TCL Was passiert wenn man signal1 bis signal20 zum waveform hinzufügen will? ein Skript mit 20x add wave schreiben benutzen von TCL TCL ist eine Skriptsprache, mit der sich die Funktionalität von Tools, welche TCL unterstützen, beliebig erweitern lässt. Beispiele: mit einer for-schleife viele Signale hinzufügen Ergebnisse abgreifen und in eine Ausgabedatei schreiben erstellen neuer GUI-Elemente Verbindung über Sockets zu anderen Programmen Wenn ein bestimmtes Signal anliegt, eine andere Eingabe forcen / 48

33 Einführung TCL Tool Command Language vom John Ousterhout Open Source-Skriptsprache Entstanden aus der Not, als jedes Tool seine eigene Skriptsprache hatte als Bibliothek eingebettet in ein beliebiges Programm Unterstützung in vielen Tools Mentor Modelsim Xilinx ISE Synopsys DC Synopsys Synplify Cadence Encounter 33 / 48

34 Zentrale Notation TCL Prefix Notation / polnische Notation {} für Blöcke [] zur Auswertung von Ausdrücken # Kommentarzeichen "" für Strings 34 / 48

35 Zentrale Eingenschaften TCL dynamische Typen "everthing is a string" automatische Speicherverwaltung selbstmodifizierender Code möglich UTF-8 kompatibel Vereinigung verschiedener Programmierparadigmen 35 / 48

36 TCL Codeschnipsel (1) Ausgabe: puts channelid string % puts "VHDL rulez!" Eingabe: gets channelid variable % gets stdin a Arithmetische Ausdrücke % expr "6+4/2" Zuweisungen von Variablen % set a "VHDL rulez!" Referenzieren von Variablen % puts $a 36 / 48

37 TCL Codeschnipsel (2) Evaluieren von Ausdrücken % set a "puts \"VHDL rulez!\""; eval $a Kombination von Ausdrücken % set a [expr "3+4"] Beispiel funktionale Programmierung (wiki.tcl.tk) % proc mean L {expr double([join $L +]) / [llength $L]} ; 37 / 48

38 TCL Kontrollstrukturen (1) Prozeduren % proc name arguments body Beispiel proc sum {arg1 arg2} { set x [expr {$arg1 + $arg2}]; return $x } 38 / 48

39 TCL Kontrollstrukturen (2) Verzweigungen - IF % if expr1 then body1 elseif expr2 then body2 elseif... else bodyn Beispiel if {$vbl == 1} { puts "vbl is one" } elseif {$vbl == 2} { puts "vbl is two" } else { puts "vbl is not one or two" } 39 / 48

40 TCL Kontrollstrukturen (3) Schleifen - for Schleife % for start test next body Beispiel for {set x 0} {$x<10} {incr x} { puts "x is $x" } 40 / 48

41 TCL Kontrollstrukturen (4) Schleifen - while Schleife % while test body Beispiel while {$x < 5} { puts "x is $x" set x [expr {$x + 1}] } 41 / 48

42 Einbettung und Erweiterung TCL eigene Programme durch die Möglichkeit des Benutzer-Skriptings erweitern Einbettung von TCL in eigene (C) Programme möglich durch Bibliothek Instanzierung eines TCL Interpreters, welcher einen "TCL String" oder externe Datei ausführt Erweiterung von TCL durch weitere Kommandos neue Kommandos verweisen auf eine Funktion im eigenen Programm Parameterübergabe an Funktion und Datenrückgabe an den Interpreter möglich 42 / 48

43 Demonstration Beispieldemonstration (Kopplung Modelsim CLI mit TCL) zeigt: Kompilieren der Quellen Starten der Simulation wichtige Signale im Waveform anzeigen forcen der Eingaben clk, reset, x, y, z Ausführen der Simulation und herausschreiben des Cosinus in jeder Iteration Berechnung des Gesamtfehlers zwischen Cordic und Software 43 / 48

44 Erweiterungen Erweiterungen denkbar und Umsetzbar mit TCL: Randomisierte Startwerte Festlegen eines Schwellfehlers und Ausgabe Works/Failes TK Elemente -> beispielsweise ein Button in Modelsim hinzufügen welches diese Simulation dann ausführt Ergebnisse über einen Socket an eine andere Anwendung senden Verifikationen, Tcl3D, Fehlerinjektionen, / 48

45 Virtuelle Signale: Spezifische Modelsimfeatures (1) manchmal will man die Summe zweier Signale betrachten... oder es gibt eine serielle Arithmetik, wo man mehrere Bits an verschiedenen Stellen zusammenfassen will... oder man hat mehrere Bits, die zusammen einen Opcode ergeben... dafür gibt es in Modelsim virtuelle Signale $ virtual signal {expression string} name $ virtual signal {sim:/tb/a & sim:/tb/b} sigconcat $ virtual signal {sim:/tb/a + sim:/tb/b} sigadd auf virtuellen Signalen kann dann genauso gearbeitet werden wie auf normalen Signalen 45 / 48

46 Spezifische Modelsimfeatures (2) Virtuelle Signale Beispiel: 46 / 48

47 Weiterführende Features: Signalspy Spezifische Modelsimfeatures (3) viele GUI Einstellmöglichkeiten Gruppieren von Signalen Farben, Radix,... Memory Read/Write mem save mem load viele Frontends wave und list dataflow und schematic debugging Verifikation 47 / 48

48 Zusammenspiel zwischen ISE und Modelsim ISE besitzt internen Simulator isim - für kleine Projekte ok ISE unterstützt die Interaktion mit Modelsim wird in den Projekteigenschaften festgelegt, welcher Simulator verwendet wird dadurch einfaches Arbeiten über die GUI mit beiden Tools möglich als Schnittstelle zwischen ISE und Modelsim dienen TCL do-dateien (*.fdo, *.tdo, *.udo) welche ISE automatisch erstellt diese übernehmen Kompilierung, Simulationsstart, Anzeigen des waveforms und Simulationssteuerung automatisch erzeugte do-dateien, rufen immer ein user-do (*.udo) auf, die durch eigenen Code erweitert werden kann 48 / 48