JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

High-level synthesis (HLS) is a method for generating register-transfer level (RTL) hardware description of digital logic designs from high-level languages, such as C/C++/SystemC or MATLAB. The performance and productivity benefits of HLS stem from the untimed, high abstraction level input languages. Another advantage is that the design and verification can focus on the features and high-level architecture, instead of the low-level implementation details.

The goal of this thesis was to define and implement a high-level verification (HLV) flow for an HLS design written in C++. The HLV flow takes advantage of the performance and productivity of C++ as opposed to hardware description languages (HDL) and minimises the required RTL verification work. The HLV flow was implemented in the case study of the thesis. The HLS design was verified in a C++ verification environment, and Catapult Coverage was used for pre-HLS coverage closure. Post-HLS verification and coverage closure were done in Universal Verification Methodology (UVM) environment. C++ tests used in the pre-HLS coverage closure were reimplemented in UVM, to get a high initial RTL coverage without manual RTL code analysis. The pre-HLS C++ design was implemented as a predictor into the UVM testbench to verify the equivalence of C++ versus RTL and to speed up post-HLS coverage closure.

Results of the case study show that the HLV flow is feasible to implement in practice. The flow shows significant performance and productivity gains of verification in the C++ domain when compared to UVM. The UVM implementation of a somewhat incomplete set of pre-HLS tests and formal exclusions resulted in an initial post-HLS coverage of 96.90%. The C++ predictor implementation was a valuable tool in post-HLS coverage closure. A total of four weeks of coverage work in pre- and post-HLS phases was required to reach 99% RTL coverage. The total time does not include the time required to build both C++ and UVM verification environments.

Korkean tason verifiointivuo korkean tason synteesiin perustuvalle digitaalilogiikkasuunnitelmalle

Tiivistelmä

Korkean tason synteesi (HLS) on menetelmä, jolla generoidaan rekisterisiirtotason (RTL) laitteistokuvausta digitaalisille logiikkasuunnitelmille käyttäen korkean tason ohjelmointikieliä, kuten C-pohjaisia kieliä tai MATLAB:ia. HLS:n suorituskykyyn ja tuottavuuteen liittyvät hyödyt perustuvat ohjelmointikielien tarjoamaan korkeampaan abstraktiotasoon. HLS:ää käyttäen suunnittelu- ja varmennustyö voi keskittyä ominaisuuksiin ja korkean tason arkkitehtuuriin matalan tason yksityiskohtien sijaan.

Tämän diplomityön tavoite oli määritellä ja implementoida korkean tason verifiointivuo (HLV-vuo) C++:lla kirjoitetulle HLS-suunnitelmalle. HLV-vuo hyödyntää ohjelmointikielien tarjoamaa suorituskykyä ja korkeampaa abstraktion tasoa kovonkuvauskielien sijaan ja siten minimoi RTL:n varmennukseen vaadittavaa työtä. HLV vuo implementoitiin tapaustutkimuksessa. HLS-suunnitelma varmennettiin C++ -verifiointiympäristössä, ja Catapult Coveragea käytettiin kattavuuden analysointiin. RTL-kattavuutta mitattiin universaalilla verifiointimetodologialla (UVM) tehdyssä ympäristössä. C++ varmennuksessa käytetyt testivektorit implementoitiin uudelleen UVM-ympäristössä, jotta RTL-kattavuuden lähtötaso olisi korkea ilman manuaalista RTL-analyysiä. C++-suunnitelma implementoitiin prediktorina (referenssimallina) UVM-testipenkkiin koodikattavuuden parantamiseksi.

Tapaustutkimuksen tulokset osoittavat, että määritelty HLV-vuo on toteutettavissa käytännössä. Vuota käyttämällä saavutetaan merkittäviä suorituskyky- ja tuottavuusetuja C++ -testiympäristössä verrattuna UVM-ympäristöön. 90.60% koodikattavuuden saavuttavien C++ testivektoreiden uudelleenimplementoiti UVM-ympäristössä tuotti 96.90% RTL-kattavuuden. C++-predictorin implementointi oli merkittävä työkalu RTL-kattavuustavoitteen saavuttamisessa.