收稿日期：!""#$"%$"&；修返日期：!""#$"#$!#
基金项目：国家“’(%”计划资助项目（!""!))*+*"#"）；国家自
然科学基金资助项目（(&’&(!,"$*）
基于覆盖率的功能验证方法!
解咏梅*，!，张- 珩*，!，张福新*，!
（*. 中国科学院 计算技术研究所，北京 *"""’"；!. 中国科学院 研究生院，北京 *"""%&）
摘- 要：随着半导体技术的发展，验证已经逐渐成为大规模集成电路设计的主要瓶颈。首先介绍传统的功能验
证方法并剖析其优缺点，然后引入传统方法的一种改进———基于覆盖率的验证方法，最后介绍了基于覆盖率的
验证方法在一款通用微处理器功能验证中的实际应用。
关键词：功能验证；协同仿真；自测检验；基于覆盖率的方法
中图法分类号：/0%&*. &- - - 文献标识码：)- - - 文章编号：*""*$%(&,（!"",）"*$""!%$"!
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- - 验证是保证集成电路设计正确性的关键。目前，验证所花
费的时间大约占集成电路设计周期的 Y"Z [ ’"Z。随着半导
体技术的发展，集成电路的设计规模按照摩尔定律增长，验证
已经逐渐成为大规模集成电路设计的主要瓶颈［*］。
!" 传统功能验证方法及其优缺点
!# !" 传统功能验证方法
- - 根据仿真结果检验方式的不同，传统功能验证方法大致可
以分为协同仿真和自测检验两类。协同仿真方法（图 *）是将
用户产生的各种测试向量作为激励信号，同时输入设计方案和
参考系统中，并比较两个系统的响应，以此来验证设计方案的
正确性。参考系统是独立于设计方案的可执行模型，被称为
K2A84: \284A，参考系统往往比设计方案更抽象。
- - 自测检验则是把带有自测性质的测试向量作为激励信号
输入设计方案中，由程序的运行结果体现系统的行为。自测检
验的测试向量包括两部分：执行某一特定功能的代码和对系统
行为的判断。
!# $" 优点
- - 协同仿真的测试向量容易获得，其测试向量理论上可以是
任意代码，前提是要保证设计方案与参考系统在接口上保持一
致。在具体实现时，协同仿真的测试向量通常是系统以前的版
本积累下来的测试向量、应用程序或者标准的 W4:<=H65R 等。
因此，协同仿真的测试集都比较大，可以遍历的系统状态也比较
多，所以它可以验证更多的逻辑。自测检验的优势在于其验证效
率非常高，因为它可以准确地证明系统某一特定功能的正确性。
!# %" 不足
- - 协同方针的不足主要表现在两方面：!仿真时间往往都比
较长；"参考系统的正确性难以保证。因为它既可以是完全正
确的系统，也可以是假定正确的系统。参考系统本身不可靠，
主要表现在两方面：!参考系统可能与设计方案的功能定义文
档不符；"参考系统比设计方案更抽象，两个系统的状态集之
间不存在一一对应关系。自测检验的测试向量大都是针对系
统的某些功能，由 ]/^ 设计者和验证人员共同编写的测试程
序。然而人工编写大规模自测程序往往是不可能的，所以自测
检验更适用于证明局部逻辑。传统验证方法的一个共同缺点
是只能反映发现问题的数目，而无法反映验证的程度并进行调
整。所谓验证的程度就是指哪部分逻辑已经被验证过，哪部分
逻辑还有待于进一步验证。因此，需要在验证流程中引入反馈
环节，以便根据已做的工作来指导以后的验证。
$" 基于覆盖率的方法
- - 基于覆盖率的方法［!］是在模拟过程中增加一个新环
节———覆盖率检验，它把覆盖率作为评价模拟完整性的标准以
指导是否进一步产生测试向量，只有达到预期的覆盖率时才会
停止模拟过程。其验证流程如图 ! 所示。基于覆盖率的方法
常常与自动生成测试向量的方法［%，#］结合在一起使用。
- - 覆盖率评估准则［,］有很多，其中包括功能覆盖准则、代码
覆盖准则、翻转覆盖准则和 >X\ 覆盖准则等。代码覆盖准则
·%!·第 * 期 - 解咏梅等：基于覆盖率的功能验证方法 -
万方数据
主要包括行覆盖准则、分支覆盖准则和路径覆盖准则等。到目
前为止，还很难给出每种评估准则与其发现错误能力之间的定
性关系，应该采用哪种评估准则只能依靠经验来判断。功能覆
盖准则是目前普遍认可的全面的覆盖率评估准则，因为它的评
估开销比较小，其含义比较明确，而且很多商业工具都支持功
能覆盖率分析。
!" #$ 测试向量
! ! 基于覆盖率方法的测试向量通常是采用随机的方法自动
生成。为了加速反馈过程，自动生成的测试向量需要满足一定
的约束条件。在定义约束条件时，必须同时兼顾覆盖率模型和
系统的功能定义文档两方面，不满足功能定义文档的覆盖率模
型和约束条件都应该被去掉。
!" !$ 实现
! ! 基于覆盖率方法实现的关键在于覆盖率定义、测试向量产
生和仿真结果检验三方面。前面谈到了在定义覆盖率时应该
严格遵循系统的功能定义文档，所有不可能出现的状态和状态
转换都应该被去掉。目前，普遍采用随机的方法自动产生测试
向量。我们可以对任何一个输入端口施加随机激励，只要保证
随机激励的宽度与相应输入端口的宽度相等。然而这往往不
够，尤其是检查边界值覆盖率的时候，因此有必要修改自动产
生激励的策略，分段随机法就是其中之一。顾名思义，分段随
机法就是将每个随机激励划分成若干个分量，然后在分量的层
次上进行随机激励，因此，它可以有效地提高边界值的覆盖率。
分段遵循以下两点：!把某个输入端口分成若干段，每一段的
宽度都应该比较小，而且需要特殊考虑的某几位应该被划分成
一个独立的段。"对每一段施加随机激励，并将所有的随机激
励拼成整个端口的随机激励。本文 "# " 节介绍了分段随机法
在浮点乘除模块覆盖率验证中的应用实例。仿真结果检验是
基于覆盖率方法的难点。因为覆盖率的方法只是对模拟验证
提供了一个量化的分析，表明当前所做的验证工作的程度，可
是它不能证明系统的行为是正确的，甚至不能发现设计中存在
的错误。所以必须借助某种途径来证明覆盖率分析过程中系
统的行为是否正确，目前普遍采用两种方法：!模拟过程采用
协同仿真的方法进行，比较两个系统每个时钟周期的响应，其
优点是比较准确；"对设计方案和参考系统施加相同的激励，
但只在模拟结束后比较寄存器的值和内存的值，其优点是模拟
速度比较快。
!" %$ 实现效果
! ! 基于覆盖率的方法是模拟和证明的一种折中。覆盖率分
析不是一种独立的方法，必须依附于模拟过程，但它为模拟的
完整性提供了量化的分析。覆盖率分析的意义在于增强设计
者的信心，但是覆盖率分析无法证明系统的正确性，也就是说
$%%&的覆盖率并不等于 $%%&没错。
%$ 基于覆盖率的验证方法的实际应用
%" #$ 模拟仿真平台和覆盖率评估平台
我们采用 ’()*+,(,公司的 -.’ /# % 作为模拟仿真平台，并
且以 ’()*+,(,公司的 -012作为覆盖率评估平台。
%" !$ 覆盖评估准则
! !（$）功能覆盖准则。功能覆盖率分析需要 134 设计者和
验证人员协作完成。首先由 134设计者提出需要被覆盖的测
试点和覆盖率指标，然后验证人员根据 134 设计者提供的信
息建立覆盖率模型并设法产生测试向量进行覆盖率分析。最
后，验证人员收集分析的结果并向 134 设计者进行反馈。我
们在进行功能覆盖率分析时发现导致功能覆盖率不高的原因
主要有两个：!验证人员在建立覆盖模型时没有考虑到某些状
态和状态转换虽然在理论上是合法的，然而实际上却是不可能
出现的，所以，去掉那些状态和状态转换不会影响覆盖率分析
的效果。"有些测试点的触发条件非常复杂，一般的测试向量
很难覆盖这种测试点，这时往往需要手工编写测试向量，人为
地产生触发条件。
（5）行覆盖准则和分支覆盖准则。我们在进行行覆盖评
估和分支覆盖评估时发现每个模块的行覆盖率都是 $%%&，而
分支覆盖率却在 67& 8 $%%&之间不等。这说明行覆盖率是
分支覆盖率的一个乐观的上界，也就是说分支覆盖评估包括行
覆盖评估。
%" %$ 分段随机法
! ! 下面以单精度浮点数的产生为例介绍分段随机法的分段
过程。随机产生的单精度浮点数只需满足一个约束条件，即
9000 :7; 标准。很多工具都提供了随机函数，所以很容易得
到一个这样的数，但是有时必须要考虑产生某些特殊值的情
形，如 <=)*>?@ABC=D，9)EB)BF(，G)@)，’)@) 和 H=>*，这往往不是直
接调用随机函数就能办到的。可以从三种不同粒度来产生一
个单精度浮点数：
! !（$）直接调用随机函数产生一个 "5 位的随机数。
! !（5）将 "5 位的单精度浮点数分成 ’BI)J0K+ 和 L>@MF 两部
分，如图 " 所示。’BI)J0K+ 和 L>@MF 分别调用随机函数产生两
个随机数、N 位 ’BI)J0K+和 5" 位 L>@MF。
"$ 5" 55 %
’BI)J0K+ L>@MF
将 "5 位的单精度浮点数分成两部分
"$ "% 5" 55 %
’BI) 0K+ L>@MF
"5 位的单精度浮点数被分成三部分
"% 5: 5/ 5"
0K+JO 0K+JA
0K+被细分成 0K+JO和 0K+J$ 两部分
55 5$ 5% $N $/ $7 $5 $$ 6:! ;" ! ! %
L$ L5 L" L; L7 L/ L:
L>@MF被细分成 L$，L5，L"，L;，L7，L/ 和 L: 七部分
将 "5 位的单精度浮点数分成十部分
图 "! 对 "5 位单精度浮点数分段
（"）将 "5 位的单精度浮点数分成十部分。首先分成 ’BI)，
0K+和 L>@MF三大部分；然后分别对 0K+ 和 L>@MF 进行细分，从
每部分的最低位开始，每 ; 位作为一个随机段。（下转第 56 页）
·;5· 计算机应用研究 5%%7 年
万方数据
标明该地质剖面的方向，!"#$%$"&属性标明该地质剖面的位置。
下面的标记表示该剖面垂直于 !轴，在 !轴上的截距为 ’((。
) ) * +,-+./ ,-0$"& 1 23!456782 #,9 1 2’: ;<02 <"#$%$"& 1 ’(( =
) )（>）通过 ?@A7时序文件描述地质剖面间的串行和并行关
系，但不使用布局文件。如下时序文件描述了三个并行剖面：
) ) * <+, =
) ) * +,-+./ ,-0$"& 1 23!456782 #,9 1 2B’((: ;<02 <"#$%$"& 1 ’(( =
) ) * +,-+./ ,-0$"& 1 23!4567C2 #,9 1 2D’((: ;<02 <"#$%$"& 1 ’(( =
) ) * +,-+./ ,-0$"& 1 23!4567E2 #,9 1 2F’((: ;<02 <"#$%$"& 1 ’(( =
) ) * G <+, =
) )（.）客户端采用 3<-&67技术显示这些剖面。由于 3<-&67
通过视点变换来旋转、平移和缩放图像，在进行这些操作时，地
质服务器无须重新计算和传输地质剖面。当移动其中的某一个
剖面时，地质服务器只需计算和传输变化的剖面，如让 !方向的
剖面顺序移动 .帧，地质服务器返回的 ?@A7时序文件为
) ) * #-H =
) ) * +,-+./ ,-0$"& 1 23!456782 #,9 1 2B’(’: ;<02 <"#$%$"& 1 ’(’ =
) ) * +,-+./ ,-0$"& 1 23!456782 #,9 1 2B’(>: ;<02 <"#$%$"& 1 ’(> =
) ) * +,-+./ ,-0$"& 1 23!456782 #,9 1 2B’(.: ;<02 <"#$%$"& 1 ’(. =
) ) * G #-H =
) ) 3<-&67将缓存 "方向和 #方向的剖面，只顺序刷新 ! 方
向的剖面。增量式解决方案将旋转、平移和缩放操作从地质服
务器转移到 ?@A7 客户端完成。地质服务器只需计算和传输
发生变化的剖面，从而有效降低了地质服务器的资源消耗量和
网络带宽占用量。
!" 结束语
) ) 远程地质模型系统实现了地质数据的远程共享和互操作。
地质用户不仅可以浏览远程服务器上的一种地质属性数据
（图 I），还可以对比显示同一地质区域的不同地质属性数据
（图 ’），以及地质属性数据的三维切片显示和立体显示（图
J）。通过编辑存储在客户端的 ?@A7布局文件，用户还能根据
需要改变显示布局。然而，地质服务器资源分配策略和地质运
算结果的缓存策略还需进一步优化。此外，还要研究在网络条
件较差的情况下，如何保证客户端、?@A7服务器和地质服务器
之间的通信可靠性。
图 I) 一种地质属性数据
参考文献：
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［Y］ ?D&9V,"&$F-/ @RL%$Q-/$+ A&%-0,+%$"& 7+&0R+0-（?@A7 >: (）?<-9$S$T
9+%$"&: V%%<：G G ‘‘‘: ‘.: ",0 G aO G >((( G \UT#Q$L>(T>((((Z>’ G［4K G
37］:
［J］ ?@A7TU3@: V%%<：G G ‘‘‘: ‘.: ",0 G aO G #Q$LT/"Q［4K G 37］:
作者简介：
闫艳，硕士研究生，研究方向为计算机图形图像、网络多媒体技术；马殿
富，教授，博士生导师，研究方向为图形图像处理、海量信息处理和网络
计算。
（上接第 >X 页）4B< 被分成两部分：X 位 4B<bV 和 X 位 4B<bL；
c,+9%被分成七部分：c’，c>，c.，cX，cY，cJ 和 cI。分段过程如
图 . 所示。因为单精度浮点数的第 >> 位可以用来区别 d&+&
和 ?&+&，所以我们选择将 c’ 和 c> 分成两部分，而不是合并成
一个随机段。像这样对随机段进行细化，直到可以通过设置权
重来影响随机产生的单精度浮点数。
我们在浮点乘除模块分别采用上述三种方法来产生浮点
运算的两个源操作数，得到的功能覆盖率依次是 YJe，JYe和
ZXe，通过调整权重可能会得到更高的覆盖率。
!" 结论
) ) 本文首先介绍了几种传统的功能验证方法并剖析了其优
缺点，然后引入了一种带反馈的验证方法———基于覆盖率的方
法，最后介绍了基于覆盖率的方法在一款通用微处理器功能验
证中的实际应用。
参考文献：
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U-#$0& PR%"Q+%$"& W"&S-,-&9-，?+& c,+&9$#9"，W+L$S",&$+，g?P，
PW@ !,-##，’ZZY: >IZT>^Y:
［X］ N ?V-&，N P],+V+Q: P Oa7 P]#%,+9%$"& a-9V&$HR- S", !,"9-##", @$T
9,"+,9V$%-9%R,- f+L$/+%$"& +&/ a-#% 6-&-,+%$"&［ N］: N"R,&+L "S 4L-9T
%,"&$9 a-#%$0：aV-",D +&/ P<<L$9+%$"&，>(((，（J）：JIT^’:
［Y］ ? a+#$,+&，$% &’: W"M-,+0- @-%,$9# S", cR&9%$"&+L f+L$/+%$"& "S h+,/T
‘+,- U-#$0&#［ N］: A444 U-#$0& +&/ a-#% "S W"Q<R%-,#，>((’，’^
（X）：.JTXY:
作者简介：
解咏梅（’ZI^T），女，硕士研究生，主要研究方向为通用微处理器设计
及验证；张珩（’），男，博士研究生，主要研究方向为通用微处理器
设计及验证；张福新（’ZIJT），男，博士研究生，主要研究方向为通用微
处理器设计及性能评估。
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