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出版者:Springer Verlag

作者:Wiemann, Alan

出品人:

页数:292

译者:

出版时间:2007-9

价格:$ 190.97

装帧:HRD

isbn号码:9780387717326

丛书系列:

图书标签:

• Functional Verification
• Verification
• UVM
• SystemVerilog
• ASIC
• FPGA
• Digital Design
• Testing
• Hardware Verification
• VLSI
• Design Verification

深入理解与实践：现代电子系统设计中的形式化验证方法 内容提要 本书旨在为电子系统设计、验证工程师及相关领域的研究人员提供一本全面且深入的指南，专注于现代集成电路（IC）和系统级芯片（SoC）设计流程中至关重要的——形式化验证（Formal Verification）技术。本书内容紧密围绕当前业界最前沿的方法论、工具链以及实际应用案例展开，力求在理论深度与工程实践之间架起一座坚实的桥梁。 我们深知，随着半导体工艺节点的不断缩小，传统基于模拟和仿真（Simulation-based）的验证方法在覆盖率和穷尽性方面正面临日益严峻的挑战。形式化验证以其数学上的严谨性和对设计规范的完全覆盖能力，成为确保复杂数字电路功能正确性的关键手段。 本书的结构设计旨在引导读者从基础概念出发，逐步深入到高级应用和特定领域的专业化技术。全书分为五大部分，共十六章，每章内容都力求清晰、详实，并辅以大量的图表和伪代码示例，以增强理解的直观性。 --- 第一部分：形式化验证的基石与理论基础 (Foundations and Theoretical Basis) 本部分为后续高级主题打下坚实的基础。我们首先探讨了形式化验证在整个电子设计自动化（EDA）生态系统中的定位与价值，对比了它与传统验证方法的优劣。 第一章：数字系统验证的范式转变 详细阐述了摩尔定律驱动下验证复杂度的指数级增长。本章深入剖析了为何基于测试向量的验证方法已无法满足现代处理器、网络芯片等复杂系统的需求。引入“可证明正确性”的理念，并概述了形式化验证的历史沿革与关键里程碑。 第二章：数学逻辑与可判定性 形式化验证的本质是数学推理。本章详述了支撑形式化验证的逻辑基础，包括命题逻辑（Propositional Logic）和一阶谓词逻辑（First-Order Predicate Logic）。重点讲解了判定过程（Decidability）的概念，以及在处理现实世界设计时，如何通过限制表达能力（如使用特定的一阶逻辑子集）来实现可计算性。此外，还介绍了时序逻辑（Temporal Logic）的基本元素，如 LTL（线性时序逻辑）和 CTL（计算树逻辑），为后续的时序属性验证做铺垫。 第三章：模型与规范的表达 介绍如何将实际的硬件设计（如寄存器传输级 RTL 代码）抽象成可供形式化工具处理的数学模型。讨论了抽象层次的选择对验证效率和准确性的影响。同时，详细分析了如何精确地将设计期望——即验证属性（Properties）——转化为严格的逻辑规范。这包括对断言（Assertions）的定义、属性分解技术以及如何处理环境输入的不确定性。 --- 第二部分：核心形式化技术：模型检测 (Model Checking) 模型检测是目前最成熟和应用最广泛的形式化验证技术。本部分聚焦于模型检测的算法实现、优化及其在实际应用中的挑战。 第四章：符号模型检测原理 详尽解析了基于二元决策图（BDD，Binary Decision Diagrams）的符号模型检测算法。内容涵盖了如何高效地构建状态空间（State Space）的表示，状态转移关系的符号化处理，以及如何利用 BDD 的结构特性进行高效的逻辑操作，如交集、合取和存在量词消除。 第五章：描述性语言与中间表示 (IR) 讨论业界主流的硬件描述语言（如 Verilog/SystemVerilog）到形式化模型（如 PSL/SVA 断言）的转换过程。重点分析了如何将高级硬件结构（如有限状态机 FSM、流水线）映射到逻辑公式。介绍了用于中间表示（IR）的标准，以及不同工具链之间进行互操作性的关键技术。 第六章：可扩展性挑战与松弛化技术 面对数亿门电路规模的设计，状态爆炸是模型检测面临的首要难题。本章深入探讨了多种应对策略，包括层次化模型检测（Hierarchical Model Checking）、分区/模块化验证（Partitioning/Modular Verification）。详细介绍了抽象和细化（Abstraction and Refinement）技术，特别是如何通过数据和状态抽象来有效压缩状态空间，同时确保验证的健全性（Soundness）。 --- 第三部分：特定领域的应用：等价性验证与属性验证 (Equivalence Checking and Property Verification) 本部分将理论知识转化为具体的工程任务，涵盖了设计流程中两个最关键的形式化应用领域。 第七章：形式化等价性验证 (Formal Equivalence Checking, FEC) FEC 在综合（Synthesis）、优化和重定时（Retiming）后的设计回归验证中至关重要。本章详细介绍基于布尔可满足性问题（SAT）求解器的 FEC 算法。探讨了如何将两个不同设计（如 RTL 与门级网表，或两个不同综合流程的结果）之间的等价性转化为一个大规模的 SAT 实例。分析了处理复杂结构（如锁定的寄存器、异步接口）时的特殊技术。 第八章：基于 SAT/SMT 的属性验证 超越了传统模型检测的限制，本章关注于如何利用更强大的 SAT 和 SMT（Satisfiability Modulo Theories）求解器来验证更复杂的系统级属性。解释了 SMT 求解器如何集成算术、数组和位向量理论，使其能够更自然地处理混合信号设计或涉及复杂数据路径的验证任务。 第九章：时间属性的验证：LTL 与 CTL 的深入应用 回归到时序逻辑，本章专注于如何系统地验证涉及时间顺序的规范。通过大量的例子，演示了如何将需求转化为 LTL 属性（如“如果请求发生，则最终必须满足授权”），以及如何使用 CTL 验证分支时间性质（如“在任何情况下，系统都不可能进入死锁状态”）。重点讨论了如何处理设计中的异步和并发性对时序验证带来的挑战。 --- 第四部分：高级形式化技术与现代方法 (Advanced Techniques and Modern Approaches) 本部分探索了更专业化、面向未来趋势的形式化技术，以应对下一代异构系统验证的需求。 第十章：混合系统验证：模拟与数字的交汇 随着 ASIC 芯片中嵌入模拟 IP 和传感器接口的增加，验证混合信号系统变得不可避免。本章介绍了形式化方法如何扩展到连续域。讨论了区间算术（Interval Arithmetic）在处理模拟行为不确定性中的应用，以及如何结合数字逻辑验证和有限精度分析来确保整个系统的功能正确性。 第十一章：场景生成与随机测试的结合：形式化驱动的验证 形式化验证虽然能证明正确性，但难以发现违反属性的“边界案例”。本章探讨了如何利用形式化模型的结果（如状态空间可达性分析）来指导或裁剪伪随机测试（Constrained Random Verification, CRV）的生成。重点介绍如何利用模型检测的结果来识别未被测试到的关键状态和路径，实现更高效的场景覆盖。 第十二章：可归约性与反例引导的抽象 深入探讨了形式化验证流程中的“反例”（Counterexamples）。一个有效的反例是验证失败最有力的证明。本章详细描述了如何从模型检测器输出的逻辑公式中，反向工程（Unwind）出一条清晰、可读性强、且可以直接映射回 RTL 代码的仿真波形或序列，实现验证的“可归约性”。 --- 第五部分：工具链、流程集成与最佳实践 (Toolchain, Flow Integration, and Best Practices) 本部分侧重于工程实践，指导读者如何在实际项目环境中成功部署和维护形式化验证。 第十三章：形式化验证流程的自动化与集成 描述了形式化验证在 ASIC/SoC 设计流程中的标准集成点，包括 RTL 编写阶段、综合后阶段和后仿真阶段。讨论了如何建立健壮的自动化回归系统，以及如何处理大规模形式化项目的管理，包括版本控制、属性库的维护与复用。 第十四章：处理异步与时钟域交叉 (CDC) 异步设计是形式化验证中的经典难题。本章提供了专门针对 CDC 的形式化验证策略。详细讲解了如何建模跨时钟域的同步器（如握手协议、双端口 FIFO），并利用形式化方法验证数据完整性、避免亚稳态传播和丢失信息等关键属性。 第十五章：处理遗留代码与约束的建模 在大型项目中，往往需要验证的模块（DUT）已经存在大量未经验证的 RTL 代码。本章提供了将遗留代码整合到形式化框架中的策略，包括如何有效地对第三方 IP 或无法完全可见的模块进行建模（黑盒/灰盒建模），以及如何处理不完整的或模糊的设计约束。 第十六章：案例研究与工业实践总结 通过三个详细的工业案例（例如，一个复杂的内存控制器、一个高性能流水线单元、一个安全机制模块），展示了形式化验证在实际中发现的深层次设计缺陷。总结了成功部署形式化验证团队所需具备的关键技能、所需工具能力以及如何量化形式化验证的投资回报率（ROI）。 --- 本书的编写风格力求严谨而实用，避免了教科书式的冗余，专注于提供可立即在工程中应用的知识体系。读者通过系统学习本书内容，将能熟练掌握从逻辑建模到复杂系统属性验证的全套形式化技能，从而显著提升所设计电子系统的功能可靠性。

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