The RD53 Collaboration's SystemVerilog-UVM Simulation Framework and its General Applicability to Design of Advanced Pixel Readout Chips

The foreseen Phase 2 pixel upgrades at the LHC have very challenging requirements for the design of hybrid pixel readout chips. A versatile pixel simulation platform is as an essential development tool for the design, verification and optimization of both the system architecture and the pixel chip building blocks (Intellectual Properties, IPs). This work is focused on the implemented simulation and verification environment named VEPIX53, built using the SystemVerilog language and the Universal Verification Methodology (UVM) class library in the framework of the RD53 Collaboration. The environment supports pixel chips at different levels of description: its reusable components feature the generation of different classes of parameterized input hits to the pixel matrix, monitoring of pixel chip inputs and outputs, conformity checks between predicted and actual outputs and collection of statistics on system performance. The environment has been tested performing a study of shared architectures of the trigger latency buffering section of pixel chips. A fully shared architecture and a distributed one have been described at behavioral level and simulated; the resulting memory occupancy statistics and hit loss rates have subsequently been compared.Comment: 15 pages, 10 figures (11 figure files), submitted to Journal of Instrumentatio

Pre-validation of SoC via hardware and software co-simulation

Abstract. System-on-chips (SoCs) are complex entities consisting of multiple hardware and software components. This complexity presents challenges in their design, verification, and validation. Traditional verification processes often test hardware models in isolation until late in the development cycle. As a result, cooperation between hardware and software development is also limited, slowing down bug detection and fixing. This thesis aims to develop, implement, and evaluate a co-simulation-based pre-validation methodology to address these challenges. The approach allows for the early integration of hardware and software, serving as a natural intermediate step between traditional hardware model verification and full system validation. The co-simulation employs a QEMU CPU emulator linked to a register-transfer level (RTL) hardware model. This setup enables the execution of software components, such as device drivers, on the target instruction set architecture (ISA) alongside cycle-accurate RTL hardware models. The thesis focuses on two primary applications of co-simulation. Firstly, it allows software unit tests to be run in conjunction with hardware models, facilitating early communication between device drivers, low-level software, and hardware components. Secondly, it offers an environment for using software in functional hardware verification. A significant advantage of this approach is the early detection of integration errors. Software unit tests can be executed at the IP block level with actual hardware models, a task previously only possible with costly system-level prototypes. This enables earlier collaboration between software and hardware development teams and smoothens the transition to traditional system-level validation techniques.Järjestelmäpiirin esivalidointi laitteiston ja ohjelmiston yhteissimulaatiolla. Tiivistelmä. Järjestelmäpiirit (SoC) ovat monimutkaisia kokonaisuuksia, jotka koostuvat useista laitteisto- ja ohjelmistokomponenteista. Tämä monimutkaisuus asettaa haasteita niiden suunnittelulle, varmennukselle ja validoinnille. Perinteiset varmennusprosessit testaavat usein laitteistomalleja eristyksissä kehityssyklin loppuvaiheeseen saakka. Tämän myötä myös yhteistyö laitteisto- ja ohjelmistokehityksen välillä on vähäistä, mikä hidastaa virheiden tunnistamista ja korjausta. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää, toteuttaa ja arvioida laitteisto-ohjelmisto-yhteissimulointiin perustuva esivalidointimenetelmä näiden haasteiden ratkaisemiseksi. Menetelmä mahdollistaa laitteiston ja ohjelmiston varhaisen integroinnin, toimien luonnollisena välietappina perinteisen laitteistomallin varmennuksen ja koko järjestelmän validoinnin välillä. Yhteissimulointi käyttää QEMU suoritinemulaattoria, joka on yhdistetty rekisterinsiirtotason (RTL) laitteistomalliin. Tämä mahdollistaa ohjelmistokomponenttien, kuten laiteajureiden, suorittamisen kohdejärjestelmän käskysarja-arkkitehtuurilla (ISA) yhdessä kellosyklitarkkojen RTL laitteistomallien kanssa. Työ keskittyy kahteen yhteissimulaation pääsovellukseen. Ensinnäkin se mahdollistaa ohjelmiston yksikkötestien suorittamisen laitteistomallien kanssa, varmistaen kommunikaation laiteajurien, matalan tason ohjelmiston ja laitteistokomponenttien välillä. Toiseksi se tarjoaa ympäristön ohjelmiston käyttämiseen toiminnallisessa laitteiston varmennuksessa. Merkittävä etu tästä lähestymistavasta on integraatiovirheiden varhainen havaitseminen. Ohjelmiston yksikkötestejä voidaan suorittaa jo IP-lohkon tasolla oikeilla laitteistomalleilla, mikä on aiemmin ollut mahdollista vain kalliilla järjestelmätason prototyypeillä. Tämä mahdollistaa aikaisemman ohjelmisto- ja laitteistokehitystiimien välisen yhteistyön ja helpottaa siirtymistä perinteisiin järjestelmätason validointimenetelmiin

Design and Verification of a Dual Port RAM Using UVM Methodology

Data-intensive applications such as Deep Learning, Big Data, and Computer Vision have resulted in more demand for on-chip memory storage. Hence, state of the art Systems on Chips (SOCs) have a memory that occupies somewhere between 50% to 90 % of the die space. Extensive Research is being done in the field of memory technology to improve the efficiency of memory packaging. This effort has not always been successful because densely packed memory structures can experience defects during the fabrication process. Thus, it is critical to test the embedded memory modules once they are taped out. Along with testing, functional verification of a module makes sure that the design works the way it has been intended to perform. This paper proposes a built-in self-test (BIST) to validate a Dual Port Static RAM module and a complete layered test bench to verify the module’s operation functionally. The BIST has been designed using a finite state machine and has been targeted against most of the general SRAM faults in a given linear time constraint of O(23n). The layered test bench has been designed using Universal Verification Methodology (UVM), a standardized class library which has increased the re-usability and automation to the existing design verification language, SystemVerilog

An Application of the Universal Verification Methodology

The Universal Verification Methodology (UVM) package is an open-source SystemVerilog library, which is used to set up a class-based hierarchical testbench. UVM testbenches improve the reusability of Verilog testbenches. Direct Memory Access (DMA) plays an important role in modern computer architecture. When using DMA to transfer data between a host machine and field-programmable gate array (FPGA) accelerator, a modularized DMA core on the FPGA frees the host side Central Processing Unit(CPU) during the transfer, helps to save FPGA resources, and enhances performance. Verifying the functionality of a DMA core is essential before mapping it to the FPGA. In this thesis, we tested an open source DMA core with UVM (Universal Verification Methodology). Bus agents and interface modules are designed for input and output signals of the DMA Design Under Test (DUT). We constructed a Register Level Abstraction (RLA) model to allow both front-door access and back-door access to the register files in the DUT. We designed the sequences, scoreboards, and tests with features to allow reuse. The overall testbench structure is defined by a base-type test. Different tests then extend the base-type test and use type overriding with the UVM configuration database to use different scoreboards and sequences accordingly. With scoreboard and coverage groups, the testbench monitors the correctness of the behavior of the DMA DUT, as well as the functional coverage of all tests. We performed the simulations with the Questa simulator. Several bugs in the open-source DMA core were found and corrected

Standart-konformes Snapshotting für SystemC Virtuelle Plattformen

The steady increase in complexity of high-end embedded systems goes along with an increasingly complex design process. We are currently still in a transition phase from Hardware-Description Language (HDL) based design towards virtual-platform-based design of embedded systems. As design complexity rises faster than developer productivity a gap forms. Restoring productivity while at the same time managing increased design complexity can also be achieved through focussing on the development of new tools and design methodologies. In most application areas, high-level modelling languages such as SystemC are used in early design phases. In modern software development Continuous Integration (CI) is used to automatically test if a submitted piece of code breaks functionality. Application of the CI concept to embedded system design and testing requires fast build and test execution times from the virtual platform framework. For this use case the ability to save a specific state of a virtual platform becomes necessary. The saving and restoring of specific states of a simulation requires the ability to serialize all data structures within the simulation models. Improving the frameworks and establishing better methods will only help to narrow the design gap, if these changes are introduced with the needs of the engineers and developers in mind. Ultimately, it is their productivity that shall be improved. The ability to save the state of a virtual platform enables developers to run longer test campaigns that can even contain randomized test stimuli. If the saved states are modifiable the developers can inject faulty states into the simulation models. This work contributes an extension to the SoCRocket virtual platform framework to enable snapshotting. The snapshotting extension can be considered a reference implementation as the utilization of current SystemC/TLM standards makes it compatible to other frameworkds. Furthermore, integrating the UVM SystemC library into the framework enables test driven development and fast validation of SystemC/TLM models using snapshots. These extensions narrow the design gap by supporting designers, testers and developers to work more efficiently.Die stetige Steigerung der Komplexität eingebetteter Systeme geht einher mit einer ebenso steigenden Komplexität des Entwurfsprozesses. Wir befinden uns momentan in der Übergangsphase vom Entwurf von eingebetteten Systemen basierend auf Hardware-Beschreibungssprachen hin zum Entwurf ebendieser basierend auf virtuellen Plattformen. Da die Entwurfskomplexität rasanter steigt als die Produktivität der Entwickler, entsteht eine Kluft. Die Produktivität wiederherzustellen und gleichzeitig die gesteigerte Entwurfskomplexität zu bewältigen, kann auch erreicht werden, indem der Fokus auf die Entwicklung neuer Werkzeuge und Entwurfsmethoden gelegt wird. In den meisten Anwendungsgebieten werden Modellierungssprachen auf hoher Ebene, wie zum Beispiel SystemC, in den frühen Entwurfsphasen benutzt. In der modernen Software-Entwicklung wird Continuous Integration (CI) benutzt um automatisiert zu überprüfen, ob eine eingespielte Änderung am Quelltext bestehende Funktionalitäten beeinträchtigt. Die Anwendung des CI-Konzepts auf den Entwurf und das Testen von eingebetteten Systemen fordert schnelle Bau- und Test-Ausführungszeiten von dem genutzten Framework für virtuelle Plattformen. Für diesen Anwendungsfall wird auch die Fähigkeit, einen bestimmten Zustand der virtuellen Plattform zu speichern, erforderlich. Das Speichern und Wiederherstellen der Zustände einer Simulation erfordert die Serialisierung aller Datenstrukturen, die sich in den Simulationsmodellen befinden. Das Verbessern von Frameworks und Etablieren besserer Methodiken hilft nur die Entwurfs-Kluft zu verringern, wenn diese Änderungen mit Berücksichtigung der Bedürfnisse der Entwickler und Ingenieure eingeführt werden. Letztendlich ist es ihre Produktivität, die gesteigert werden soll. Die Fähigkeit den Zustand einer virtuellen Plattform zu speichern, ermöglicht es den Entwicklern, längere Testkampagnen laufen zu lassen, die auch zufällig erzeugte Teststimuli beinhalten können oder, falls die gespeicherten Zustände modifizierbar sind, fehlerbehaftete Zustände in die Simulationsmodelle zu injizieren. Mein mit dieser Arbeit geleisteter Beitrag beinhaltet die Erweiterung des SoCRocket Frameworks um Checkpointing Funktionalität im Sinne einer Referenzimplementierung. Weiterhin ermöglicht die Integration der UVM SystemC Bibliothek in das Framework die Umsetzung der testgetriebenen Entwicklung und schnelle Validierung von SystemC/TLM Modellen mit Hilfe von Snapshots

Automated functional coverage driven verification with Universal Verification Methodology

Abstract. In this Master’s thesis, the validity of Universal Verification Methodology in digital design verification is studied. A brief look into the methodology’s history is taken, and its unique properties and object-oriented features are presented. Important coverage topics in project planning are discussed, and the two main types of coverage, code and functional coverage, are explained and the methods how they are captured are presented. The practical section of this thesis shows the implementation of a monitoring environment and an Universal Verification Methodology environment. The monitoring environment includes class-based components that are used to collect functional coverage from an existing SystemVerilog test bench. The Universal Verification Methodology environment uses the same monitoring system, but a different driving setup to stress the design under test. Coverage and simulation performance values are extracted and from all test benches and the data is compared. The results indicate that the Universal Verification Methodology environment incorporating constrained random stimulus is capable of faster simulation run times and better code coverage values. The simulation time measured was up to 26 % faster compared to a module-based environment.Automaattinen toiminnallisen kattavuuden ohjaama verifiointi universaalilla varmennusmenetelmällä. Tiivistelmä. Tässä diplomityössä tutkitaan universaalin varmennusmenetelmän (Universal Verification Methodology) soveltuvuutta digitaalisten laitteiden verifiointiin. Työssä tehdään lyhyt katsaus menetelmän historiaan. Lisäksi menetelmän omia ainutlaatuisia ja olio-pohjaisia ominaisuuksia käydään läpi. Kattavuuteen liittyviä käsitteitä esitetään projektihallinnan näkökulmasta. Kattavuudesta käsitellään toiminnallinen ja koodikattavuus, ja tavat, miten näitä molempia kerätään simulaatioista. Työn käytännön osuudessa esitetään monitorointiympäristön ja universaalin varmennusmenetelmän pohjalta tehdyn ympäristön toteutus. Monitorointi-ympäristössä on luokkapohjaisia komponentteja, joiden avulla kerätään toiminnallista kattavuutta jo olemassa olevasta testipenkistä. Universaalin varmennusmenetelmän pohjalta tehdyssä ympäristössä on samojen monitorointikomponenttien lisäksi testattavan kohteen ohjaamiseen vaadittavia komponentteja. Eri testipenkeistä kerätään kattavuuteen ja suorituskykyyn liittyvää dataa vertaamista varten. Tulokset viittaavat siihen, että rajoitettua satunnaista herätettä hyödykseen käyttävät universaalit varmennusmenetelmäympäristöt pääsevät nopeampiin suoritusaikoihin ja parempiin koodikattavuuslukuihin. Simulaation suoritusaikaan saatiin parhaassa tapauksessa jopa 26 % parannus

Rapid high-level behavioral modeling of soc communication interfaces

Abstract. The increasing complexity of hardware and software systems increases the amount of labour and resources required to model them. Especially in system-on-chips (SoC), the complexity of modeling is evident. Electronic system-level (ESL) modeling using the benefits of transaction level modeling (TLM) reduces the required resources and speeds up the modeling time. This thesis examines approximately timed modeling in the context of behavioral modeling with abstract processing elements and abstract arbitration procedures. This thesis describes the basic principles of SoC:s and TLM, and then a problem of modeling a SoC communication interface for a company is investigated, and a TLM solution to the modeling problem is explored.Järjestelmäpiirien tiedonsiirtoyhteyksien nopea korkean tason käytösmallinnus. Tiivistelmä. Laitteistojen ja systeemien kasvava kompleksisuus lisää niiden mallinnukseen vaadittua työmäärää ja resursseja. Erityisesti järjestelmäpiireissä (SoC) mallinnuksen monimutkaistuminen näkyy. Elektronisen järjestelmätason (ESL) mallinnus käyttämällä tapahtumatason mallinnuksen (TLM) hyötyjä vähentää vaadittuja resursseja ja nopeuttaa mallinnukseen kuluvaa aikaa. Tässä opinnäytetyössä tarkastellaan likimääräisesti ajastettua mallinnusta käytösmallinnuksen kontekstissa abstrakteilla prosessointi elementeillä ja abstrakteilla sovittelu proseduureilla. Tässä työssä kuvataan myös järjestelmäpiirin ja TLM:n perusperiaatteet, jonka jälkeen tutkitaan erään yrityksen SoC:in tiedonsiirtoväylän mallinnuksen ongelmaa, ja tutkitaan TLM ratkaisua mallinnusongelmalle