[论文解读] A Post-Silicon Trace Analysis Approach for System-on-Chip Protocol Debug

Yuting Cao, Hao Zheng+2 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2020

VLSI and Analog Circuit Testing参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文提出了一种优化的后硅片追踪分析方法，通过使用在标记佩特里网（Labeled Petri-nets, LPNs）中形式化的系统级流程规范，从噪声大、部分可观测的硅片追踪数据中重建系统级协议执行。通过引入有序协议执行场景和以通信为中心的追踪信号选择框架，该方法提升了调试的准确性和效率，减少了误报，并在最小化仪器化开销的前提下，实现了复杂片上系统（SoC）设计中的根本原因定位。

ABSTRACT

Reconstructing system-level behavior from silicon traces is a critical problem in post-silicon validation of System-on-Chip designs. Current industrial practice in this area is primarily manual, depending on collaborative insights of the architects, designers, and validators. This paper presents a trace analysis approach that exploits architectural models of the system-level protocols to reconstruct design behavior from partially observed silicon traces in the presence of ambiguous and noisy data. The output of the approach is a set of all potential interpretations of a system's internal executions abstracted to the system-level protocols. To support the trace analysis approach, a companion trace signal selection framework guided by system-level protocols is also presented, and its impacts on the complexity and accuracy of the analysis approach are discussed. That approach and the framework have been evaluated on a multi-core system-on-chip prototype that implements a set of common industrial system-level protocols.

研究动机与目标

• 解决在后硅片片上系统（SoC）验证中调试复杂多协议交互的挑战，其中硅片追踪数据具有噪声、丢失且部分可观测。
• 克服先前手动且无排序重建方法的局限性，这些方法会产生数千个模糊的协议场景且缺乏排序信息。
• 开发一种追踪分析方法，以捕捉并发协议执行之间的顺序关系，从而提升根本原因定位能力。
• 设计一种以通信为中心的追踪信号选择框架，以最小化仪器化成本，同时最大化分析的准确性和效率。
• 在实现工业标准系统级协议的真实多核SoC原型上评估该方法。

提出的方法

• 将系统级协议形式化为标记佩特里网（LPNs），以建模IP模块之间的消息流，其中带标签的变迁代表协议事件。
• 利用基于LPN的状态空间探索方法，结合观测到的信号约束，从部分可观测的硅片追踪数据中重建所有潜在的协议执行场景。
• 提出一种新的执行场景表述方式，明确表示并发协议实例之间的交错与顺序关系。
• 开发定量指标，根据与观测数据及信号选择的一致性，对重建场景的质量进行排序和评估。
• 提出一种由系统级协议语义引导的追踪信号选择框架，优先选择对分析复杂度和准确性影响较大的信号（如Cmd、Sid、Tag）。
• 在多核SoC原型上评估不同的信号选择策略（如S2–S4），以分析追踪大小、运行时间、内存使用与重建保真度之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在最小化人工干预的前提下，从噪声大、部分可观测的硅片追踪数据中重建系统级协议执行？
• RQ2 在存在模糊性的情况下，可使用哪些指标对重建的协议执行场景质量进行排序和评估？
• RQ3 不同的追踪信号选择策略如何影响后硅片追踪分析的复杂度和准确性？
• RQ4 信号选择（如Cmd、Sid、Tag）在减少误报和提升调试效率方面起到什么作用？
• RQ5 能否设计一种以通信为中心的信号选择框架，在最小化仪器化成本的同时保持高保真度的协议重建？

主要发现

• 所提出的方法即使在可观测性较差的条件下，也能成功重建所有正确的协议执行场景，并准确捕捉并发流之间的顺序关系。
• 信号选择S4（排除分支事件）效果最佳，通过最小化复杂度并避免与模糊分支追踪相关的问题，显著提升了性能。
• 排除Cmd或Sid信号会严重降低分析准确性，而省略Tag信号则产生中等负面影响，但仍可完成重建。
• 更细粒度的信号选择（如仅追踪唯一或共享事件）在不牺牲准确性的前提下，减少了追踪大小和复杂度，尤其在包含Tag信号时效果更显著。
• 该方法在所有测试的信号选择策略下，均实现了对流实例数量及其正确顺序的高保真度重建。
• 配套的追踪信号选择框架显著降低了运行时间和内存使用，同时保持了高重建准确性，充分证明了其在真实SoC调试中的实用价值。