物聯網(IoT)並不僅僅是一個最新的時髦用語,它是我們每天用於與大規模網路(即所謂的「網際網路」)連接並由其提供支援的「物件」(thing)。從智慧型手機到智慧城市、個人健康監護儀到機構醫療保健系統、連網家庭到連網汽車與交通運輸,這一切如今都是IoT的一部份;而行動裝置和可穿戴式裝置則為其引領發展道路。

IoT市場的實際和預期成長也對網路供應商帶來重大影響。畢竟,如果沒有網路基礎設施的支援,IoT將不復存在。大型網路公司面臨著與IoT開發人員相同的驗證挑戰和需求。

具有更多軟體與更嚴格功耗預算的更大、更複雜設計,必須採用新的驗證解決方案,以因應相關的技術挑戰。本文探討在驗證IoT和網路設計時,傳統數位軟體模擬和硬體原型不符合標準以及使用硬體模擬對整個驗證解決方案至關重要的原因。此外,也解釋了為什麼傳統內電路硬體模擬必須轉換到以軟體為中心的虛擬硬體模擬解決方案。最後並以Mentor Graphics使用Veloce VirtuaLAB解決方案為例,解釋如何在保留傳統硬體模擬的所有性能、容量和能力時,也增加靈活度、可靠性、遠端存取、工作共用、易用性、投回報酬率(ROI)以及專案管理等優勢。

技術和驗證挑戰

IoT和網路設計的五大特性對於公司在進行驗證時帶來最大影響:每個晶片需承載更多協議、更大且更複雜的設計、較低的功耗使用要求、更多的軟體,以及更多交換機和路由器埠。

每個晶片需承載更多協議:由於更多應用程式和功能必須同時連接到網路,因此每個裝置所使用的協議數量正不斷增加中。例如,手機必須連接到雲端儲存、串流視訊和音訊、執行各種應用程式以及撥打/接聽電話和收發文字簡訊。這些協議本身相當複雜,而且由於其與設計的其餘部份之間存在許多的通訊和互動,因而呈現許多必須檢查甚至除錯的棘手場景和極端情況。

將所有的協議都置於單一SoC上,大幅增加了硬體的複雜度。在晶片上進行內部和外部通訊的協議越多,驗證所需的週期就越長。

更大型的設計:較高層級的協議整合,增加了複雜度和尺寸,就像整合了各種功能、多種處理器和嵌入式軟體一樣。如今的客戶希望裝置能夠處理越來越多的內容、必須整合數位、音訊、語音和資料,而且要能保持在隨時啟用與連接的狀態。

整合的內容量越高,設計中的同步要求就越多,系統的驗證工作就變得越發困難。新的驗證解決方案必須能夠處理這些可執行數十億閘的大型、複雜系統。

更低功耗:設計決策必須考慮功耗、尺寸和性能等因素,尤其是IoT裝置的功耗。這使得系統級功耗分析和管理成為一項關鍵的衡量指標。能夠及早提供準確功耗分析資料的驗證解決方案對於確實降低功耗的設計決策至關重要。這一準確度取決於:在實際執行SoC的應用環境下測量功耗——這是基於傳統測試平台的驗證方法不符合標準之處。我們需要一種提供低功耗分析的新方法來滿足IoT裝置設計者的需求。

更高階的軟體內容:在軟體模擬器上執行傳統軟體驗證正失去動能。軟體模擬的速度太慢,無法對執行數十億週期或資料架構的SoC進行充份的測試。這意味著設計者必須在功能方面加以妥協。他們無法完全理解系統或SoC中究竟發生了什麼,因為無法產生或隔絕可能在實際應用中導致問題的極端情況。

同樣地,較多的軟體內容會大幅增加SoC的開發成本,因為軟體的開發必須為每位硬體工程師配備5到10名軟體工程師。因此,這些軟體工程師必須盡可能有效率地執行相關驗證。

他們需要一種能夠提升作業系統(OS)性能的驗證解決方案,並在硬體原型可用之前於目標硬體上執行軟體應用程式。此外,該解決方案還必須具有執行全面驗證軟體所需數十億週期的容量和速度。

![20160309 Mentor AN31P1](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/Um89ZoU0k6e48YsOgIOYA/fd07eaca8fc3f271d703273651ac3232/20160309_Mentor_AN31P1.jpg)
圖1:日益增加的軟體內容推動SoC開發與成本要求

日益增加網路交換機和路由器活動:IoT正推動網路進展,因為消費者需要更多的頻寬、更豐富的多媒體、更多視訊與音訊串流。網路公司必須以更高的頻寬、更優越的性能運算以及更內容導向的應用程式來滿足這一需求。乙太網路與其他相關網路標準持續發展,從而能以更快的網路協議與更多埠數來滿足這些需求,並進一步改善網路服務。

例如,為了滿足大量網路配置的需求,開發人員在研發新的網路晶片時不得不將數以千計的乙太網路埠整合於單一SoC中。如此一來,要在一種硬體測試環境中為所有介面埠提供連接並不可行。因此,網路公司必須在軟體中採取某種方式來實現。

為IoT提供硬體模擬驗證方案

這些軟硬體都需要大量的驗證,而且並不簡單,只會變得更加困難。當然,來自市場的壓力持續迫使裝置的開發時間越來越短,才能保持競爭力。為了驗證組成IoT的大型、複雜、軟體豐富的設計,硬體模擬是唯一提供充份容量、性能和週期的唯一方式。而且它必須是一種為IoT量身打造的全新硬體模擬解決方案。

著眼於這一需求,Mentor確認處理這些複雜系統的最佳方式就是讓Veloce複製IoT公司的設計方法。這包括從其手機和其他產品上執行的應用程式中斷硬體和作業系統連接。此方法是可行的,因為終端使用者往往比較關注自己想要使用的應用程式,並希望這些應用程式在其所擁有的任何OS或裝置上都能執行。

因此,透過Veloce硬體模擬平台,設計師能以在裝置上執行應用程式的相同方式使用Veloce應用程式來測試設計(不論是哪種細分市場:儲存、網路、行動、繪圖)。Veloce OS為內部或協力廠商開發的應用程式提供了一個硬體模擬器介面。這些應用程式可在單一作業系統Veloce OS上執行。由於Veloce OS相容於任何版本或任何型號的Veloce硬體系列,因此使用者可輕鬆使用下一代平台並從中受益,從而保護其投資並在公司的績效和容量需要增加時提供可擴展性。

![20160309 Mentor AN31P2](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/1CTP8jJYzGUyY0cOQac2GC/14ef68dea01b309ea30df09989fecff9/20160309_Mentor_AN31P2.jpg)
圖2:Veloce OS及應用程式

此外,Veloce OS還支援企業伺服器,使其得以使用LSF軟體最佳化資源利用並提供工作管理。這讓用戶可將工作從其桌面提交到位於全球各地資料中心的Veloce硬體模擬資源中。企業伺服器可在多種使用模式下支援多個專案、團隊、用戶同時使用Veloce,並可確定何處能最有效地分配單一或多個專案,以確保最高效地利用Veloce資源,因而能夠隨時隨地高效地存取資料中心友好型硬體模擬系統。

但是,如果執行設計所需的週邊裝置和協議並非同樣基於軟體,那麼所有這些操作都將是徒勞。這便是Mentor開發Veloce VirtuaLAB的原因。VirtuaLAB改變了基於SoC的硬體模擬的方式,並為企業伺服器功能做好準備,將實驗室環境轉變成只需硬體模擬器和工作站來執行協議模型軟體版本的資料中心。由於VirtuaLAB使用與ICE硬體解決方案相同的協議IP和軟體堆疊,因此可以利用軟體的靈活性和可重複結果,提供與基於傳統ICE驗證相同的功能,進而為使用者提供硬體準確度。

與ICE相比,它具有實實在在的優勢: ‧更高可靠性,因為它消除了常會引發故障的外部硬體和佈線。 ‧透過高效的多用戶環境提供更高生產率,並能只改變其編譯參數(而不是換入/換出混亂不堪的外部硬體底盤和纜線)遠端重新配置 VirtuaLAB模型。 ‧利用可靠、低成本的工作站來執行軟體模型而非連接硬體(包括昂貴的測試儀),進而降低總體成本。 ‧將硬體模擬器從實驗室移入資料中心,使多個團隊可以隨時隨地使用硬體模擬器,就像一個PC場,從而實現更高投資回報。 ‧由於基於軟體的解決方案具有更高的除錯可視程度,而且設計人員可以瀏覽實體環境中很難使用的軟體協議檢查器和分析儀,因而可實現更高品質。

那麼,基於Veloce軟體的環境如何具體地解決IoT和網路開發人員面臨的五大技術挑戰?

協議解決方案:在某種程度上,軟體解決方案能更加輕鬆地獲得準確的結果,一部份原因在於硬體解決方案即使是用相同的激勵也能產生不同的結果(取決於硬體出現時的狀態)。因此,在設計中為協議採用基於軟體的環境非常重要。Veloce 為多個細分市場提供協議解決方案,其中包括可提供主機/週邊裝置模型、協議試驗程式/分析儀以及軟體除錯連接的一系列解決方案。

大型設計:隨著設計尺寸的增加,硬體模擬性能也必須跟上節奏。Veloce利用可擴展平台來解決這一挑戰。客戶最初可能會使用Veloce Quattro來滿足需求。Quattro可為每個系統和多達16個用戶處理多達2.56億閘。下一步則是支援多達64位用戶的十億閘Veloce Maximus。Double Maximus系統具有多達20億閘和128個使用者的容量。所有Veloce型號和版本都使用相同的Veloce OS,執行相同的應用程式,並且完全向後相容,同時能夠提供全面的可擴展性並保障投資。

低功耗:Veloce是執行低功耗分析的一個理想平台,因為它能提供僅在真實應用環境下執行設計才得以實現的更高準確度。Veloce具有適當的速度和容量,可以啟動OS以及執行在目標硬體上全面執行軟體應用程式所需的數十億週期,即使是具有數十億閘的硬體亦然。Mentor創建了一個動態波形API流程,可直接與整合到Veloce硬體模擬器的功率分析工具相連接。透過與業界協力廠商的功耗分析工具(例如ANSYS)整合,客戶可以在設計流程初期獲得準確的功耗,以便針對功耗、區域和性能做出明智的設計決策。這點使Veloce電源應用程式軟體比任何其他低功耗解決方案都要準確得多,其他硬體模擬系統是無法做到的。

軟體除錯:嵌入晶片上的軟體必須與硬體同時進行驗證。硬體模擬與軟體模擬一樣擅長除錯,但對於較大型的設計,硬體模擬比軟體模擬更快速數千甚至數百萬倍。Veloce提供大量的解決方案,能滿足軟體工程師除錯其嵌入軟體之需。

Veloce Virtual Probes提供虛擬探針來實現硬體模擬器的即時互動式除錯。Veloce虛擬探針可提供與軟體除錯工具的虛擬連接,而無需再使用硬體JTAG探針。這不僅可消除JTAG探針原有的部份問題,還充分利用了企業伺服器。然而,即使硬體模擬在主動除錯期間停止作業,互動式除錯仍可利用硬體模擬器上寶貴的連線時間。在除錯問題期間每秒執行零個硬體週期,並沒必要使用硬體模擬器,互動式除錯應僅該在絕對必要時方可使用。

此外,Veloce Codelink還支援離線和重放除錯。Codelink提供標準軟體發展工具的除錯功能,包括軟體除錯工具中執行的程式碼與硬體波形中顯示位置之間的相關性。透過Codelink軟體,硬體模擬器會產生多個資料庫,以便在離線時用於除錯會話。這是一個非常高生產力的環境,可騰出硬體模擬器用於其他任務和使用者,同時又能夠在一個或多個工作站離線執行軟體除錯。

交換機和路由器埠:成百上千個埠的設計需要與硬體存在許多連接,這些連接全部都需要佈線,這使其無法再於ICE硬體環境中驗證網路交換機和路由器設計。此外,128埠乙太網路埠設計通常採用數億甚至數十億閘的尺寸。

幸運的是,Veloce VirtuaLAB可透過將大多數測試環境轉移到軟體中而克服硬體環境的障礙,並可處理多達二十億閘的可擴展Veloce平台上執行。此外,VirtuaLAB協議解決方案還可滿足網路交換機或路由器業者在驗證晶片時的所有關鍵目標:封包延遲、頻寬、封包遺失、亂序序列以及流量分析等。

在典型的VirtuaLAB環境中,SoC將被載入Veloce硬體模擬器中。硬體模擬器透過一個或多個軟體連接與工作站上的用戶環境相連,使工程師能與硬體模擬器中執行的DUT互動。針對乙太網路,工作站上執行的VirtuaLAB乙太網路封包產生器和監測器(EPGM)應用程式將會產生虛擬乙太網路流量。EPGM會產生測試並對乙太網路流量提供可視性、分析和用戶控制。

![20160309 Mentor AN31P3](//images.contentful.com/15mr7p4rjmth/6HWiwYbsZiyGgSuqA6i8ew/453e70eaa4cf03f7817abca9c30adbd5/20160309_Mentor_AN31P3.jpg)
圖3:VirtuaLAB EPGM設置

結語:企業硬體模擬和IoT

Mentor Veloce VirtuaLAB為IoT和網路供應商提供新一代的驗證解決方案。該解決方案靈活性更強、可見性更高,而且能夠根據IoT和網路系統設計的容量和複雜度的增加進行擴展。在提供傳統的ICE功能的同時,它還可提高生產率以及設計品質,無需額外的纜線和硬體裝置。

由於這些功能和技術都建立在企業硬體模擬理念之上,因此,所有的硬體模擬資源均位於資料中心,並可由多個團隊、用戶和專案隨時隨地進行遠端存取。VirtuaLAB環境為所有IoT市場上的IoT裝置提供軟體和硬體驗證,從而為多個協議、複雜設計、加速低功耗應用以及軟、硬體除錯提供高速驗證解決方案。

在設計組成IoT和連網生態系統的產品和網路時,需要進行大量驗證。使用硬體模擬是執行大量所需驗證週期並除錯大型、複雜設計的唯一方式。利用其基於軟體的獨特驗證解決方案和企業伺服器模型,Veloce可為IoT和網路設計人員提供所需的驗證級。