基于UVM的SoC寄存器级验证环境构建方法

在SoC（System on Chip）验证中，寄存器级验证是确保芯片功能正确性的核心环节。UVM（Universal Verification Methodology）凭借其标准化的寄存器模型（RAL）和层次化验证架构，成为寄存器验证的主流方法。本文结合工程实践，阐述基于UVM的寄存器验证环境构建方法。

一、寄存器模型分层设计

SoC寄存器采用三级分层结构：

Reg Field（寄存器域）：最小功能单元，例如某DMA控制器的状态寄存器包含busy、error等域。

Reg（寄存器）：由多个域组成，如DMA_CTRL寄存器包含start、pause等控制域。

Reg Block（寄存器块）：按功能模块划分，例如DMA模块的寄存器集合构成一个Reg Block。

UVM通过uvm_reg_field、uvm_reg和uvm_reg_block类实现分层建模。例如，在验证某SoC的UART模块时，可定义如下寄存器模型：

systemverilog

class uart_reg_model extends uvm_reg_block;

 uvm_reg uart_ctrl;

 uvm_reg uart_status;

 function void build();

   uart_ctrl = uvm_reg::type_id::create("uart_ctrl", null, get_full_name());

   uart_ctrl.configure(this, 8, 0, "RW", 0); // 8位宽，可读写，复位值0

   uart_status = uvm_reg::type_id::create("uart_status", null, get_full_name());

   uart_status.configure(this, 8, 8, "RO", 0); // 只读，复位值0

 endfunction

endclass

二、验证环境组件实现

寄存器验证环境需包含以下核心组件：

Adapter：实现RAL模型与DUT接口的协议转换。例如，将RAL的uvm_reg_item转换为APB总线事务：

systemverilog

class apb_adapter extends uvm_reg_adapter;

 virtual task reg2bus(uvm_reg_item rw, uvm_sequence_item bus_item);

   apb_transaction apb_tx = new();

   apb_tx.addr = rw.addr;

   apb_tx.data = rw.data;

   apb_tx.rw = (rw.kind == UVM_WRITE) ? 1'b1 : 1'b0;

   bus_item = apb_tx;

 endtask

endclass

Predictor：根据总线事务预测寄存器值，更新RAL模型的mirrored_value。例如，捕获APB写事务并更新模型：

systemverilog

class apb_predictor extends uvm_subscriber #(apb_transaction);

 uvm_reg_map reg_map;

 virtual function void write(apb_transaction tx);

   uvm_reg_item rw = new();

   rw.addr = tx.addr;

   rw.data = tx.data;

   rw.kind = (tx.rw) ? UVM_WRITE : UVM_READ;

   reg_map.do_predict(rw); // 更新镜像值

 endfunction

endclass

Scoreboard：比较RAL模型的desired_value与mirrored_value，检测寄存器读写错误。例如，在复位测试中检查所有寄存器值是否符合预设的POR（Power-On Reset）值：

systemverilog

class reg_scoreboard extends uvm_scoreboard;

 uvm_reg_block reg_model;

 virtual task run_phase(uvm_phase phase);

   foreach (reg_model.regs[i]) begin

     uvm_reg reg = reg_model.regs[i];

     uvm_reg_field field;

     foreach (reg.get_fields(fields)) begin

       if (field.get_access() != "RO" && field.get_reset() != "X") begin

         uvm_reg_data_t expected = field.get_reset_value();

         uvm_reg_data_t actual = field.get_mirrored_value();

         if (expected != actual)

           `uvm_error("REG_CHECK", $sformatf("Field %s mismatch: expected %0h, actual %0h",

                      field.get_name(), expected, actual));

       end

     end

   end

 endtask

endclass

三、测试场景与覆盖率收集

通过内置序列（Sequence）实现自动化测试：

复位测试：使用uvm_reg_hw_reset_seq验证所有寄存器复位值。

随机访问测试：通过uvm_reg_bit_bash_seq对每个寄存器域进行随机读写。

边界条件测试：针对关键寄存器（如中断掩码寄存器）设计特定测试用例。

覆盖率收集需覆盖功能覆盖率和代码覆盖率：

systemverilog

covergroup reg_cg with function sample(uvm_reg_field field);

 cp_field_value: coverpoint field.get_mirrored_value() {

   bins values[] = {[0:field.get_n_bits()**2-1]};

 }

endgroup

四、工程实践优化

多时钟域处理：对于跨时钟域寄存器，需在Adapter中添加同步逻辑。

寄存器模型复用：通过UVM配置数据库（uvm_config_db）实现不同测试用例间的模型共享。

错误注入：在Predictor中模拟总线错误（如APB地址错误），验证DUT的容错能力。

结语

基于UVM的寄存器验证环境通过分层建模、组件化设计和自动化测试，显著提升了SoC验证的效率和可靠性。实际项目中，需结合具体协议（如APB、AXI）和DUT特性进行定制化开发，同时利用UVM的回调机制（callbacks）实现灵活的扩展。