[論文レビュー] Synthesis of AMBA AHB from Formal Specification

Yashdeep Godhal, Krishnendu Chatterjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2010

Formal Methods in Verification参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、プロパティ記述言語（PSL）およびGR(1)合成を用いて、アーキテクチャの完全なAMBA AHBプロトコル（アーキテクチャ、マスタ、スレーブの各コンponentを含む）の形式的合成手法を提示する。形式的仕様の精錬により、合成時間とゲート数のオーダー・オブ・マグニチュードの改善が達成され、体系的な仕様記述が産業用プロトコル向けに自動的かつコンパクトに、かつ正しく構築されたハードウェア生成を可能にすることを示している。

ABSTRACT

The standard procedure for hardware design consists of describing circuit in a hardware description language at logic level followed by extensive verification and logic-synthesis. However, this process consumes significant time and needs a lot of effort. An alternative is to use formal specification language as a high-level hardware description language and synthesize hardware from formal specification. Bloem et.al. gave formal specifications and synthesize the AMBA AHB Arbiter. Our contributions are as follows:(1) We present more complete and compact formal specifications for the AMBA AHB Arbiter, and obtain significant (order of magnitude) improvement in synthesis results (both with respect to time and the number of gates of the synthesize circuit); (2) we present formal specification and synthesize to generate compact circuits for the remaining two components of the AMBA AHB protocol, namely, the AMBA AHB Master and AMBA AHB Slave; and (3) from the lessons learnt we present few principles for writing formal specifications for efficient hardware synthesis. Thus with intelligently written complete formal specifications we are able to automatically synthesize an important and widely used industrial protocol.

研究の動機と目的

• 形式的仕様から完全で産業用のハードウェアプロトコルを体系的に合成するための手法を開発すること。
• 形式的仕様の精錬を通じて、AMBA AHBプロトコルの合成効率と回路のコンパクト性を向上させること。
• 従来の研究がアーキテクチャに限定されていたのを拡張し、初めてAMBA AHBマスタおよびスレーブコンponentを形式的仕様から合成すること。
• スケーラブルで高性能なハードウェア合成を可能にする、効率的な形式的仕様の作成原則を導出すること。

提案手法

• アーキテクチャ、マスタ、スレーブの形式的仕様を、安全かつライブネス特性に焦点を当ててプロパティ記述言語（PSL）で表現する。
• 合成プロセスはGR(1)実現可能性および合成技術を活用し、反復的で反応型システムの広いクラスに対して多項式時間で合成を可能にする。
• 仕様は反復的に精錬される：最初に簡略化された設計（例：1ビット幅）から始め、段階的に複雑さを追加して完全な機能を達成する。
• 記憶装置との相互作用などの複雑な動作をモデル化するために補助信号を導入し、仕様の表現力と合成可能性を向上させる。
• 最終的な仕様はAnzuツールを用いて自動的にゲートレベル回路に合成され、その後ABCを用いて面積最適化が行われる。
• 合成結果は実行時間、ゲート数、回路面積に基づいて評価され、先行研究と比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全で産業用のAMBA AHBプロトコルを形式的仕様から自動的に合成することは可能か？
• RQ2 形式的仕様をどのように構造化すれば、効率的でコンパクトなハードウェア合成を達成できるか？
• RQ3 制御中心のコンponent（例：AHBマスタおよびスレーブ）を合成するにあたり、主な課題は何か。それらの課題はどのように解決できるか？
• RQ4 仕様の簡略化と段階的精錬は、合成性能にどの程度向上効果をもたらすか？

主な発見

• AHBスレーブの合成には21.5秒を要し、214ゲート、429単位面積の回路が得られ、高いコンパクト性が実証された。
• 精錬された形式的仕様により、先行研究と比較してアーキテクチャの合成時間とゲート数がオーダー・オブ・マグニチュード改善された。
• 本研究では、マスタおよびスレーブコンponentが形式的仕様から初めて合成された。これにより、従来のアーキテクチャに限定された合成研究の範囲が拡張された。
• 補助信号の使用により、メモリアクセスやデータラッチングなどの複雑な動作の記述の表現力と実現可能性が顕著に向上した。
• 段階的仕様精錬（簡略化されたモデルから始めて段階的に複雑さを追加）は、効率的な合成を達成するために不可欠であることが判明した。
• 得られた教訓（構造的な仕様記述、イベント順序のモデル化など）は、効率的な形式的ハードウェア合成のための実用的原則を提供する。