IBM芯片验证实操：20分钟搞定MMU压力测试

针对分立芯片后的MMU验证实战教程

正文

芯片设计中的一些分立芯片问题无法完全避免，但有了更先进的验证技术，我们已能在产品出货前解决更多问题。本次，新媒网跨境将带大家了解一种基于“裸机驱动”的方法，用以对MMU进行压力测试，实现更深入的验证。

这篇文章中涉及的研究来自硅谷著名企业IBM，结合了一篇2022年的研究内容，并在2021年的DATE会议上提出。这种方法通过离线观看方式生成多线程测试，用于芯片初代运行，并且仅仅需要使用所谓的“裸机接口”。简单来说，这种执行器程序自带所有数据和库函数，可以持续运行，且通过随机组合线程测试展现不同的压力环境。这种创新主要针对MMU（内存管理单元）的功能，如TLB（快表）、页表行走以及多核环境中的复杂问题。

这种做法与分立芯片之前的验证方法略有相似，但这种基于随机测试的芯片后验证可以覆盖更大范围的状态空间，并根据运行时间不断挖掘角落问题。此外，它还能增加系统级压力测试场景，例如任务切换和页迁移问题。

深度拆解方法

IBM所研发的“Threadmill工具”在这其中扮演重要角色。这种工具基于模板化生成随机软件程序，不需要操作系统支持，从而自由构造多种底层硬件竞争条件。这种工具最重要的用途是在分立芯片后的验证，但近年来也逐渐应用于芯片前验证场景。

现代MMU设计复杂，包括缓存、地址映射表、以及安全控制等多个功能模块。而其中涉及到的各种缓存未命中、线程上下文切换，以及安全策略违例等极端场景，尤其是出现这些场景组合产生的竞争条件，仅靠传统验证无法完全覆盖。裸机级的测试更能触及这些边界问题。

文中提出了一种新的创新方式，通过约束求解的方法（这种方式与商业逻辑仿真器类似），来测试多线程情况下地址转换的排列组合问题，尤其是深入多级地址转换表进行全面行走的路线可能性。

另外一个创新点是压力测试地址转换表的动态更新。比如，一个程序持续锁定随机的虚拟地址块，并将其物理地址块迁移到其他存储位置，同时更新MMU的转换表。与此同时，多个其他线程不断对这些虚拟地址进行随机加载和存储操作，从而模拟最复杂的交互情景。

IBM通过这一工具发现了3个罕见深度问题，这些问题无法通过内部常规方法或者芯片前验证发现。实验证明，使用Threadmill工具获得的RTL代码覆盖率比其他验证工具高出约4%，虽然仍比预验证的覆盖率低3%。这份研究指出，该工具不仅能发现常规问题，还挖掘了在极端情况下才能暴露的角落错误。

新媒网跨境认为，这种方法所展示的成果对芯片设计与验证团队尤其是与复杂MMU相关的场景具有极高参考价值。

实战经验与风险控制

Memory Management Unit（MMU）并不是一个普通的功能模块，它的核心在于软硬件协同设计，包含系统调度、线程管理等多个角色。验证此模块的难度在于它既是硬件逻辑的一部分，又涉及操作系统（甚至虚拟机）对地址的翻译与管理。换句话说，MMU负责将虚拟地址转换为物理地址，并通过多级页表和缓存进行管理。这不仅产生巨大的组合状态空间，还需要处理跨线程、别名问题以及共享资源的竞争。

文中技术的亮点在于使用约束驱动与随机化的测试生成方式，来更精准地应对复杂问题，具体包括：