物聯(lián)網(wǎng)(IoT)并不僅僅是一個(gè)最新時(shí)髦的詞語(yǔ)，它是我們每天用于與大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)(我們稱(chēng)之為“互聯(lián)網(wǎng)”)連接并由其提供支持的“事物”。從智能電話(huà)到智能城市、個(gè)人健康監(jiān)護(hù)儀到機(jī)構(gòu)醫(yī)療保健系統(tǒng)、互連家居到互連汽車(chē)和交通，這一切現(xiàn)如今都是IoT的一部分；而移動(dòng)設(shè)備和可穿戴設(shè)備則是它們的“領(lǐng)跑者”。

IoT市場(chǎng)的實(shí)際和預(yù)期成長(zhǎng)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)提供商具有重大影響。畢竟，如果沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支持，IoT也將不復(fù)存在。大型網(wǎng)絡(luò)公司面臨著與IoT開(kāi)發(fā)人員相同的驗(yàn)證挑戰(zhàn)和需求。

擁有更多軟件、更嚴(yán)格的功耗預(yù)算的更大、更復(fù)雜的設(shè)計(jì)，需要采用新的驗(yàn)證解決方案，以應(yīng)對(duì)相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文探討了在驗(yàn)證IoT和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí),傳統(tǒng)數(shù)字軟件仿真和硬件原型不符標(biāo)準(zhǔn)以及使用硬件仿真對(duì)整個(gè)驗(yàn)證解決方案至關(guān)重要的原因；還說(shuō)明了為什么傳統(tǒng)內(nèi)電路硬件仿真需要轉(zhuǎn)換到以軟件為中心的虛擬硬件仿真解決方案。Mentor Graphics是使用Veloce VirtuaLAB的解決方案領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。VirtuaLAB保留了傳統(tǒng)硬件仿真的所有性能、容量和能力，同時(shí)增加了顯著優(yōu)勢(shì)，包括靈活性、更高可靠性、遠(yuǎn)程訪問(wèn)、工作共享、易用性、更高投資回報(bào)以及項(xiàng)目管理。

技術(shù)和驗(yàn)證挑戰(zhàn)

IoT和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的以下五大特征對(duì)公司所面臨的驗(yàn)證挑戰(zhàn)具有最大的影響：每個(gè)芯片需承載更多協(xié)議、更大、更復(fù)雜的設(shè)計(jì)、較低的功耗使用要求、更多軟件，以及更多交換機(jī)和路由器端口。

1.每個(gè)芯片需承載更多協(xié)議

由于更多應(yīng)用程序和功能需要同時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò)，因此每個(gè)設(shè)備所使用的協(xié)議數(shù)量在不斷增加。例如，手機(jī)需要連接到云存儲(chǔ)空間、流式處理視頻和音頻、運(yùn)行各種應(yīng)用程序以及撥打/接聽(tīng)電話(huà)和收發(fā)文本信息。所有這些協(xié)議本身已經(jīng)很復(fù)雜，由于它們與設(shè)計(jì)的其余部分之間存在如此多的通信和交互，因此它們會(huì)呈現(xiàn)出許多棘手的需要檢查甚至調(diào)試的場(chǎng)景和邊界情況。

將所有這些協(xié)議都置于單一SoC上會(huì)大大增加硬件復(fù)雜度。在芯片上進(jìn)行內(nèi)部和外部通信的協(xié)議越多，驗(yàn)證所需的周期就越長(zhǎng)。

2.更大型的設(shè)計(jì)

較高水平的協(xié)議集成會(huì)增加復(fù)雜度和尺寸，此外，各種功能、多處理器和嵌入式軟件也會(huì)增加其復(fù)雜度和尺寸。如今的客戶(hù)要求設(shè)備可以處理越來(lái)越多的內(nèi)容，需要集成數(shù)字、音頻、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)，且需要保持始終啟用、連接狀態(tài)。

集成的內(nèi)容量越高，設(shè)計(jì)中存在的并發(fā)性就越多，驗(yàn)證系統(tǒng)就變得越發(fā)困難。新的驗(yàn)證解決方案必須能夠處理這些可運(yùn)行數(shù)十億門(mén)的大型、復(fù)雜的系統(tǒng)。

3.更低功耗

設(shè)計(jì)決策需要考慮功耗、區(qū)域和性能等因素，尤其是IoT設(shè)備的功耗。這使得系統(tǒng)級(jí)功耗分析和管理成為一項(xiàng)關(guān)鍵的衡量指標(biāo)。能夠及早提供準(zhǔn)確功耗分析數(shù)據(jù)的驗(yàn)證解決方案對(duì)做出低功耗的設(shè)計(jì)決策至關(guān)重要。準(zhǔn)確度取決于，在真實(shí)環(huán)境下，實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用程序的SoC的功耗，這是基于測(cè)試平臺(tái)的傳統(tǒng)驗(yàn)證方法不符標(biāo)準(zhǔn)的原因所在。我們需要提供一種全新的、與IoT設(shè)備設(shè)計(jì)師的需求相符的低功耗分析方法。

4.更高端的軟件內(nèi)容

在軟件仿真器上運(yùn)行傳統(tǒng)軟件驗(yàn)證將失去動(dòng)力。軟件仿真進(jìn)展太慢，無(wú)法對(duì)運(yùn)行數(shù)十億周期或數(shù)據(jù)幀的SoC執(zhí)行充分的應(yīng)力測(cè)試。這意味著，設(shè)計(jì)師不得不在功能方面做出妥協(xié)。他們不能完全理解系統(tǒng)或SoC中究竟發(fā)生了什么情況，因?yàn)樗麄儫o(wú)法生成和隔離可能在實(shí)際應(yīng)用中導(dǎo)致問(wèn)題的邊界情況。

同樣，較多的軟件內(nèi)容會(huì)大大增加SoC的開(kāi)發(fā)成本，因?yàn)檐浖拈_(kāi)發(fā)要求為每位硬件工程師配備五到十名軟件工程師。因此，這些軟件工程師需要盡可能高效地執(zhí)行相關(guān)驗(yàn)證。

他們需要一種能夠提升OS性能的驗(yàn)證解決方案，并在硬件原型可用之前于目標(biāo)硬件上運(yùn)行軟件應(yīng)用程序。此外，此解決方案還具有執(zhí)行全面驗(yàn)證軟件所需的數(shù)十億周期的容量和速度。

圖1：增加軟件內(nèi)容可推動(dòng)SoC開(kāi)發(fā)并節(jié)約成本。

5.增加網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器活動(dòng)

IoT正在不斷推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，因?yàn)橄M(fèi)者需要更多的帶寬、更加豐富的多媒體，以及更多視頻流和音頻流。網(wǎng)絡(luò)公司需要以更高的帶寬、更優(yōu)異的性能計(jì)算和更多專(zhuān)注于內(nèi)容的應(yīng)用程序來(lái)滿(mǎn)足此需求。以太網(wǎng)的制定和其他相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)用以滿(mǎn)足這些需求，并通過(guò)更快速的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和更多端口來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

例如，為了滿(mǎn)足大量網(wǎng)絡(luò)配置的需求，開(kāi)發(fā)人員在研發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)芯片時(shí)不得不將數(shù)以千計(jì)的以太網(wǎng)端口置于單個(gè)SoC上。如此一來(lái)，在一個(gè)硬件測(cè)試環(huán)境中為所有端口提供連接就變得不可能了。因此，網(wǎng)絡(luò)公司需要在軟件中采取某種方式才能做到這一點(diǎn)。

為IoT提供硬件仿真驗(yàn)證解決方案

所有這些軟硬件都需要大量的驗(yàn)證，并且這些驗(yàn)證不會(huì)變得更加簡(jiǎn)單，而只會(huì)變得越發(fā)困難。當(dāng)然，來(lái)自市場(chǎng)的壓力正在持續(xù)迫使設(shè)備的開(kāi)發(fā)時(shí)間變得越來(lái)越短，以保持競(jìng)爭(zhēng)力。硬件仿真是提供容量、性能和周期的唯一方式，以驗(yàn)證組成IoT的大型、復(fù)雜、大量軟件的設(shè)計(jì)。但是，需要為IoT量身定制新的硬件仿真解決方案。

認(rèn)識(shí)到這一需求后，Mentor確定，處理這些復(fù)雜系統(tǒng)的最佳方式就是讓Veloce復(fù)制IoT公司設(shè)計(jì)的方法。這包括從其手機(jī)和其他產(chǎn)品上運(yùn)行的應(yīng)用程序中斷開(kāi)硬件和操作系統(tǒng)。此方法是可行的，因?yàn)榻K端用戶(hù)往往比較關(guān)注自己想要使用的應(yīng)用程序，并希望這些應(yīng)用程序可以在其所擁有的任何操作系統(tǒng)或設(shè)備上都可以運(yùn)行。

因此，通過(guò)Veloce硬件仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)師可以以他們?cè)谠O(shè)備上運(yùn)行應(yīng)用程序相同的方式，使用Veloce應(yīng)用程序來(lái)測(cè)試他們的設(shè)計(jì)(不論是哪種細(xì)分市場(chǎng)：存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)、圖形)。Veloce OS為內(nèi)部或第三方開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序提供了一個(gè)硬件仿真器界面。這些應(yīng)用程序可在被稱(chēng)為Veloce OS的單一操作系統(tǒng)上運(yùn)行。由于Veloce OS與任何版本或任何型號(hào)的Veloce硬件系列都兼容，因此用戶(hù)可輕松使用下一代平臺(tái)并能夠從中受益，這將會(huì)保護(hù)他們的投資并在公司的績(jī)效和容量需要增加時(shí)提供可擴(kuò)展性。

圖2：Veloce OS及應(yīng)用。

此外，Veloce OS還支持企業(yè)服務(wù)器，企業(yè)服務(wù)器可使用LSF軟件優(yōu)化資源使用量并提供工作管理。這樣，用戶(hù)可以將工作從其桌面提交到位于全球任何地方的數(shù)據(jù)中心的Veloce硬件仿真資源中。企業(yè)服務(wù)器支持在多種使用模式下為多個(gè)項(xiàng)目、團(tuán)隊(duì)、用戶(hù)同時(shí)使用Veloce。企業(yè)服務(wù)器可確定在哪里有效地分配單個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目，以確保最高效地利用Veloce資源。因此可以隨時(shí)隨地高效地訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心友好型硬件仿真系統(tǒng)。

但是，如果執(zhí)行設(shè)計(jì)所需的外圍設(shè)備和協(xié)議并非基于軟件，那么所有這些操作都將是徒勞。這便是Mentor開(kāi)發(fā)Veloce VirtuaLAB的原因。VirtuaLAB已經(jīng)改變了基于SoC的硬件仿真的方式，并為企業(yè)服務(wù)器功能做好準(zhǔn)備，將實(shí)驗(yàn)室環(huán)境轉(zhuǎn)變成只需硬件仿真器和工作站來(lái)執(zhí)行協(xié)議模型軟件版本的數(shù)據(jù)中心。由于VirtuaLAB使用與ICE硬件解決方案相同的協(xié)議IP和軟件堆棧，因此可以利用軟件的靈活性和可重復(fù)結(jié)果，提供與基于傳統(tǒng)ICE驗(yàn)證相同的功能，進(jìn)而為用戶(hù)提供硬件準(zhǔn)確度。

與ICE相比，其具有實(shí)實(shí)在在的優(yōu)勢(shì)：

●更高的可靠性，因?yàn)槠湎顺?huì)引發(fā)故障的外部硬件和布纜。

●通過(guò)高效的多用戶(hù)環(huán)境提供更高生產(chǎn)率，并能通過(guò)只改變其編譯參數(shù)(而不是換入/換出混亂不堪的外部硬件底盤(pán)和纜線)遠(yuǎn)程重新配置 VirtuaLAB模型。

●利用可靠、低成本的工作站來(lái)執(zhí)行軟件模型而非連接硬件(包括昂貴的測(cè)試儀)，進(jìn)而降低總體成本。

●將硬件仿真器從實(shí)驗(yàn)室移入數(shù)據(jù)中心，以使多個(gè)團(tuán)隊(duì)可以隨時(shí)隨地使用硬件仿真器，就像一個(gè)PC場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)更高投資回報(bào)。

●由于基于軟件的解決方案具有較高的調(diào)試可見(jiàn)性并且設(shè)計(jì)人員可以訪問(wèn)在物理環(huán)境中很難使用的軟件協(xié)議檢查器和分析儀，因此可實(shí)現(xiàn)更高品質(zhì)。

讓我們一起來(lái)了解下基于Veloce軟件的環(huán)境如何具體地解決IoT和網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)人員面臨的五大技術(shù)挑戰(zhàn)。

協(xié)議解決方案

在某種程度上，軟件解決方案可以更加輕松地獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，因?yàn)橛布鉀Q方案即使在使用相同的激勵(lì)時(shí)也可產(chǎn)生不同的結(jié)果(取決于硬件出現(xiàn)時(shí)所處的狀態(tài))。因此，在設(shè)計(jì)中為協(xié)議采用基于軟件的環(huán)境非常重要。Veloce 為多個(gè)細(xì)分市場(chǎng)提供協(xié)議解決方案，其中包括可提供主機(jī)/外圍設(shè)備模型、協(xié)議試驗(yàn)程序/分析儀以及軟件調(diào)試連接的一系列解決方案。

大型設(shè)計(jì)

隨著設(shè)計(jì)尺寸的增加，硬件仿真容量也必須跟上節(jié)奏。Veloce利用可擴(kuò)展平臺(tái)來(lái)解決這一挑戰(zhàn)。客戶(hù)最初可能會(huì)使用Veloce Quattro來(lái)滿(mǎn)足他們的需求。Quattro可為每個(gè)系統(tǒng)和多達(dá)16個(gè)用戶(hù)處理多達(dá)2.56億門(mén)。再進(jìn)一步就是，支持多達(dá)64個(gè)用戶(hù)的十億門(mén)Veloce Maximus。Double Maximus系統(tǒng)具有多達(dá)20億門(mén)和128個(gè)用戶(hù)的容量。所有Veloce型號(hào)和版本都使用相同的Veloce OS，運(yùn)行相同的應(yīng)用程序，并且完全向后兼容，同時(shí)能夠提供全面的可擴(kuò)展性并保護(hù)投資。

低功耗

Veloce是進(jìn)行低功耗分析的一個(gè)理想平臺(tái)，因?yàn)槠淠軌蛱峁└咚降臏?zhǔn)確度，這一準(zhǔn)確度僅在真實(shí)應(yīng)用環(huán)境下運(yùn)行設(shè)計(jì)方能得以實(shí)現(xiàn)。Veloce具有適當(dāng)?shù)乃俣群腿萘?，可以啟?dòng)OS和運(yùn)行全面執(zhí)行目標(biāo)軟件上運(yùn)行的軟件應(yīng)用程序所需的數(shù)十億周期，即使在具有數(shù)十億門(mén)的硬件上也如此。Mentor創(chuàng)建了一個(gè)動(dòng)態(tài)波形API流程，直接與集成到Veloce硬件仿真器中的功率分析工具相連接。通過(guò)與行業(yè)領(lǐng)先、第三方功耗分析工具(例如ANSYS)集成，客戶(hù)可以在設(shè)計(jì)流程初期獲得準(zhǔn)確的功耗，以便針對(duì)功耗、區(qū)域和性能做出明智的設(shè)計(jì)決策。這點(diǎn)使Veloce電源應(yīng)用程序軟件比任何其他低功耗解決方案都要準(zhǔn)確得多，其他硬件仿真系統(tǒng)是無(wú)法做到的。

軟件調(diào)試

嵌入芯片上的軟件必須與硬件同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證。硬件仿真與軟件仿真一樣擅長(zhǎng)于調(diào)試，對(duì)于較大型的設(shè)計(jì)，硬件仿真比軟件仿真要快數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)倍。Veloce提供大量解決方案，以滿(mǎn)足軟件工程師調(diào)試其嵌入軟件之需。

Veloce通過(guò)提供虛擬探針來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件仿真器的實(shí)時(shí)交互式調(diào)試。Veloce虛擬探針可提供與軟件調(diào)試程序的虛擬連接，無(wú)需再使用硬件JTAG探針。這不僅消除了JTAG探針的部分固有問(wèn)題，還充分利用了企業(yè)服務(wù)器。然而，交互式調(diào)試可利用硬件仿真器上寶貴的連接時(shí)間，即使硬件仿真操作在主動(dòng)調(diào)試期間已停止亦是如此。在調(diào)試問(wèn)題期間每秒運(yùn)行零個(gè)硬件周期，是使用硬件仿真器的一種昂貴方式。因此，交互式調(diào)試應(yīng)僅在絕對(duì)必要時(shí)方可使用。

此外，Veloce Codelink還支持離線和重放調(diào)試。Codelink提供標(biāo)準(zhǔn)軟件開(kāi)發(fā)工具的調(diào)試功能，包括軟件調(diào)試程序中運(yùn)行的代碼與硬件波形中顯示的位置之間的相關(guān)性。通過(guò)Codelink軟件，硬件仿真器會(huì)生成多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，這些數(shù)據(jù)庫(kù)可離線用于調(diào)試會(huì)話(huà)。這是一個(gè)非常高效的環(huán)境，可騰出硬件仿真器用于其他任務(wù)和用戶(hù)，同時(shí)又能夠在一個(gè)或多個(gè)工作站離線執(zhí)行軟件調(diào)試。

交換機(jī)和路由器端口

成百上千個(gè)端口的設(shè)計(jì)需要與硬件擁有非常多的連接，而這些連接全都需要布線，這就使得在ICE硬件環(huán)境中驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和路由器設(shè)計(jì)不再可行。此外，128以太網(wǎng)端口設(shè)計(jì)等通常采用數(shù)億甚至數(shù)十億個(gè)門(mén)的尺寸。

幸運(yùn)的是，Veloce VirtuaLAB可通過(guò)將大多數(shù)的測(cè)試環(huán)境轉(zhuǎn)移到軟件中來(lái)克服硬件環(huán)境的障礙，并在可處理多達(dá)二十億門(mén)的可擴(kuò)展Veloce平臺(tái)上運(yùn)行。另外，VirtuaLAB協(xié)議解決方案還可滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或路由器公司在驗(yàn)證其芯片時(shí)的所有關(guān)鍵目標(biāo)：數(shù)據(jù)包延遲、帶寬、數(shù)據(jù)包丟失、無(wú)序序列以及流量分析。

在典型的VirtuaLAB環(huán)境中，SoC將被載入Veloce硬件仿真器中。硬件仿真器通過(guò)一個(gè)或多個(gè)軟件連接與工作站上的用戶(hù)環(huán)境相連，以使工程師可與硬件仿真器中運(yùn)行的DUT交互。對(duì)于以太網(wǎng)，工作站上運(yùn)行的VirtuaLAB以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包生成器和監(jiān)視器(EPGM)應(yīng)用程序?qū)?huì)生成虛擬以太網(wǎng)流量。EPGM會(huì)生成測(cè)試并對(duì)以太網(wǎng)流量提供可見(jiàn)性、分析和用戶(hù)控制。

圖3：VirtuaLAB EPGM設(shè)置。

結(jié)論：企業(yè)硬件仿真和IoT

憑借Veloce VirtuaLAB，Mentor可為IoT和網(wǎng)絡(luò)提供商提供全新一代的驗(yàn)證解決方案。此解決方案靈活性更強(qiáng)、可見(jiàn)性更高，并且能夠根據(jù)IoT和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的容量和復(fù)雜度的增加而進(jìn)行擴(kuò)展。在提供傳統(tǒng)的ICE功能的同時(shí)，它還可提高生產(chǎn)率以及設(shè)計(jì)質(zhì)量，無(wú)需額外的纜線和硬件設(shè)備。

由于所有這些功能和技術(shù)都是建立在企業(yè)硬件仿真理念之上，因此所有硬件仿真資源均位于數(shù)據(jù)中心，并可由多個(gè)團(tuán)隊(duì)、用戶(hù)和項(xiàng)目隨時(shí)隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。VirtuaLAB環(huán)境為所有IoT市場(chǎng)上的IoT設(shè)備提供軟件和硬件驗(yàn)證，從而為多個(gè)協(xié)議、復(fù)雜設(shè)計(jì)、加速低功耗應(yīng)用程序以及硬件—軟件調(diào)試提供高速驗(yàn)證解決方案。

設(shè)計(jì)用于組成IoT和網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)行大量驗(yàn)證。使用硬件仿真是運(yùn)行大量所需驗(yàn)證周期并調(diào)試大型、復(fù)雜設(shè)計(jì)的唯一方式。利用其獨(dú)特的基于軟件的驗(yàn)證解決方案和企業(yè)服務(wù)器模型，Veloce完全有能力為IoT和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員提供所需的驗(yàn)證級(jí)別。