多周期 RV32I 处理器的 constrained-random 验证

概述

多周期 RV32I CPU 的功能验证。激励有随机测试（random test）和定向测试（directed test）两种，CPU 每 commit 一条指令都要经过检查；随机指令由 constraint 生成，覆盖率由 covergroup 收集。

Testbench 结构

• 两种激励，二选一：
  • 定向测试：汇编程序编译成 hex 和 ELF。memory_model 加载 hex 给 CPU 执行；Spike（RISC-V 官方的指令集模拟器）通过 DPI-C 运行同一个 ELF，CPU 每 commit 一条指令就比对一次。
  • 随机测试：random_tb 对每个读请求都回一条新生成的随机指令，写请求直接忽略。随机指令流没有对应的程序，Spike 不参与，由 riscv-formal（开源的 RISC-V 形式验证框架，这里只用它的 monitor）按 ISA 语义检查每条 commit。
• RVFI（RISC-V Formal Interface）：CPU 每 commit 一条指令，就经这组信号报出 PC、寄存器读写和访存内容，两种比对都从这里取数据。
• 报错即停：比对不一致、RVFI 信号出现 X，或访存协议出错（同时读写、地址为 X、地址不对齐，由 memory_model 和 random_tb 各自检查），仿真立即停止。
• 本项目编写：指令生成器的 constraint、covergroup 和四组定向测试（图中带星号的部分），并把随机测试从 5,000 次访存加长到 20,000 次。

Constraint 设计

RandInst 是一个 SystemVerilog class，每调用一次 randomize() 生成一条合法的 RV32I 指令，覆盖除 FENCE*、ECALL、EBREAK、CSRR* 以外的全部 RV32I 指令。

• 先抽类型：instr_type 是 9 位 one-hot，对应 9 类 opcode。solve instr_type before instr 让求解器先抽类型、再填字段，各类的比例由 dist 决定。权重按每类要覆盖的 bin 数分配：OP 38%、OP-IMM 24%、BRANCH 13%、LOAD 11%、STORE 6%，JALR、JAL、AUIPC、LUI 各 2%。
• 按类型写字段：每类 opcode 一个 implication 约束块（->），块里先固定 opcode，再限定这一类合法的 funct3 和 funct7：
  • OP：funct3 是 ADD/SUB 或 SRL/SRA 时，funct7 可取 0000000 或 0100000，其余只能取 0000000。
  • OP-IMM：SLLI 的立即数高 7 位只能是 0000000，SRLI/SRAI 是 0000000 或 0100000，其余指令的立即数不限。
  • LOAD、STORE、BRANCH：funct3 用 inside 列出合法值；JALR 的 funct3 固定为 000；JAL、AUIPC、LUI 只固定 opcode。
• funct3 先解：默认情况下，求解器在所有合法解里均匀抽取。按上面 OP-IMM 的约束，非移位指令的立即数高 7 位有 128 种取法，SLLI、SRLI、SRAI 只有一两种，移位指令很少被抽到。为此加了一个镜像变量 funct3（OP 和 OP-IMM 的 funct3 字段都约束成等于它），用 solve funct3 before instr 先把 8 个 funct3 等概率抽定。
• 访存对齐：CPU 不支持非对齐访存。有效地址是 rs1 的值加立即数，而 rs1 的值要到运行时才知道，约束管不到。因此 lh、lhu、lw、sh、sw 的 rs1 固定为 x0，地址就等于立即数，对齐由约束保证；lb、lbu、sb 天然对齐，基址保持随机。

Functional coverage

instr_cg 是 RandInst 里的 covergroup，每次 randomize() 之后在 post_randomize() 里采样一次，共 7 项：

• cross 只留合法组合：ignore_bins 去掉不存在的组合，例如 JAL、LUI、AUIPC 没有 funct3；illegal_bins 标出不合法的编码，生成器一旦产生这种指令，采样时直接报错。
• 收集与查看：仿真时 VCS 把覆盖率写进 coverage 数据库，再用 URG 生成 HTML 报告，按 bin 查哪些组合还没打到；rand_tb 跑 500 次 randomize() 后，用 get_coverage() 打印每一项的覆盖率。
• 结果：autograder 用参考 covergroup 检查生成器（要求 100%，且不能出现非法指令），再用一组覆盖不全、一组覆盖完整的激励检查 covergroup 本身，两项都通过。

定向测试

四组汇编测试，用例按边界条件设计：

• 算术：移位量取 0、3、20 和 31。只测 16 以下的移位量时，少用一位移位量的实现结果完全一样。同一对操作数（10 和 −1）分别做 slt 和 sltu，有符号和无符号的结果相反。
• 分支：六条分支各测该跳、不该跳和两数相等。分支后面垫一条 nop：不垫的话，跳转目标就是下一条，跳和不跳的 PC 一样，比对不出来。最后一组向后跳，测负偏移。
• 跳转：jal 测向前、向后和偏移 4096 以上的远跳；jalr 测结果最低位清零和负偏移。
• 访存：lb、lbu 测四个字节偏移上的符号扩展和零扩展，lh、lhu、lw 测对齐的偏移；每次 sb、sh 之后整字读回，检查其余字节没被改；最后测负偏移。

修复的 bug

修复后 autograder 的 CPU 测试全部通过。

技术栈

SystemVerilog · Constrained-random · Covergroup · Spike · RVFI · riscv-formal · VCS