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

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

Systematische Transaction-Level-Kommunikations-Modellierung mit SystemC

An emerging approach to embedded system design is to assemble them from a library of hardware and software component models (IP, intellectual property) using a system description language, such as SystemC. SystemC allows describing the communication among IPs in terms of abstract operations (transactions). The promise is that with transaction-level modeling (TLM), future systems-on-chip with one billion transistors and more can be composed out of IPs as simply as playing with LEGO bricks. However, reality is far out. In fact, each IP vendor promotes another proprietary interface standard and the provided design tools lack compatibility, such that heterogeneous IPs cannot be integrated efficiently. A novel generic interconnect fabric for TLM is presented which aims at enabling inter-operation between models of different levels of abstraction (mixed-mode) and models with different interfaces (heterogeneous components), with as little overhead as possible. A generic, protocol independent representation of transactions is developed, among with an abstraction level formalism. This approach is shown to support systematic simulation of state-of-the-art buses and networks-on-chip such as IBM CoreConnect and PCI Express over several levels of TLM abstraction. A layered simulation framework for SystemC, GreenBus, is developed to examine the proposed concepts. The thesis discusses new implementation techniques for communication modeling with SystemC which outperform the existing approaches in terms of flexibility, simulation accuracy, and performance. Based on these techniques, advanced concepts for TLM-based hardware/software co-design and FPGA prototyping are examined. Several experiments and a video processor case study highlight the efficiency of the approach and show its applicability in a TLM design flow.Eingebettete Systeme werden zunehmend auf Basis vorgefertigter Hard- und Softwarebausteine entwickelt, die in Form von Modellen (IP, Intellectual Property) vorliegen. Hierzu werden Systembeschreibungssprachen wie SystemC eingesetzt. SystemC ermöglicht, die Kommunikation zwischen IPs durch abstrakte Operationen, sog. Transaktionen zu beschreiben. Mit dieser Transaction-Level-Modellierung (TLM) sollen auch zukünftige Systeme mit 1 Milliarde Transistoren und mehr effizient entwickelt werden können. Idealerweise sollte das Hantieren mit IPs dabei so einfach sein wie das Spielen mit LEGO-Steinen. In der Realität sind jedoch IPs unterschiedlicher Hersteller nicht ohne weiteres integrierbar, und auch die Entwurfswerkzeuge sind nicht kompatibel. In dieser Doktorarbeit wird ein neuer, generischer Ansatz für die Transaction-Level-Modellierung mit SystemC vorgestellt, der Kommunikation zwischen Modellen auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen (Mixed-Mode) und mit unterschiedlichen Schnittstellen (heterogene Komponenten) möglich macht. Der zusätzlich benötigte Simulations- und Code-Aufwand ist minimal. Ein protokollunabhängiges Transaktionsmodell und ein formaler Ansatz zur Beschreibung von Abstraktionsebenen werden vorgestellt, mit denen verschiedenartige Busse und Networks-on-Chip wie IBM CoreConnect und PCI Express auf verschiedenen TLM-Abstraktionsebenen simuliert werden können. Ein modulares Simulationsframework für SystemC wird entwickelt (GreenBus), um die vorgeschlagenen Konzepte zu untersuchen. Anhand von GreenBus werden neue Implementierungstechniken diskutiert, die den existierenden Ansätzen in Flexibilität, Simulationsgenauigkeit und -geschwindigkeit überlegen sind. Die Vor- und Nachteile der entwickelten Techniken werden mit Experimenten belegt, und eine Videoprozessor-Fallstudie demonstriert die Effizienz des Ansatzes in einem TLM-basierten Entwurfsfluss

CONTREX: Design of embedded mixed-criticality CONTRol systems under consideration of EXtra-functional properties

The increasing processing power of today’s HW/SW platforms leads to the integration of more and more functions in a single device. Additional design challenges arise when these functions share computing resources and belong to different criticality levels. CONTREX complements current activities in the area of predictable computing platforms and segregation mechanisms with techniques to consider the extra-functional properties, i.e., timing constraints, power, and temperature. CONTREX enables energy efficient and cost aware design through analysis and optimization of these properties with regard to application demands at different criticality levels. This article presents an overview of the CONTREX European project, its main innovative technology (extension of a model based design approach, functional and extra-functional analysis with executable models and run-time management) and the final results of three industrial use-cases from different domain (avionics, automotive and telecommunication).The work leading to these results has received funding from the European Community’s Seventh Framework Programme FP7/2007-2011 under grant agreement no. 611146

A Problem-Oriented Approach for Dynamic Verification of Heterogeneous Embedded Systems

This work presents a virtual prototyping methodology for the design and verification of industrial devices in the field level of industrial automation systems. This work demonstrates that virtual prototypes can help increase the confidence in the correctness of a design thanks to a deeper understanding of the complex interactions between hardware, software, analog and mixed-signal components of embedded systems and the physical processes they interact with

A Design Framework for Reactive and Time-triggered Embedded Systems via the UML-SystemC bridge

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Design and Verification Environment for High-Performance Video-Based Embedded Systems

In this dissertation, a method and a tool to enable design and verification of computation demanding embedded vision-based systems is presented. Starting with an executable specification in OpenCV, we provide subsequent refinements and verification down to a system-on-chip prototype into an FPGA-Based smart camera. At each level of abstraction, properties of image processing applications are used along with structure composition to provide a generic architecture that can be automatically verified and mapped to the lower abstraction level. The result is a framework that encapsulates the computer vision library OpenCV at the highest level, integrates Accelera\u27s System-C/TLM with UVM and QEMU-OS for virtual prototyping and verification and mapping to a lower level, the last of which is the FPGA. This will relieve hardware designers from time-consuming and error-prone manual implementations, thus allowing them to focus on other steps of the design process. We also propose a novel streaming interface, called Component Interconnect and Data Access (CIDA), for embedded video designs, along with a formal model and a component composition mechanism to cluster components in logical and operational groups that reduce resource usage and power consumption