Comparison of verification and productive firmware for a wireless low-power system-on-chip

Abstract

Steigende System-on-Chip (SoC) Komplexität und damit verbundener Aufwand für funktionale Verifikation begründen die Nachfrage für innovative Ideen um den Ressourceneinsatz und Time-to-Market zu verringern. An einem aktuellen Pre-Silicon Entwicklungsprojekt eines ARM-basierten drahtlosen Sensor-SoC wurde die Kombination eines Hardware Abstraction Software Designs für System-level Verifikation und einer produktiven Programmierbibliothek untersucht. Die vorgeschlagene Ansatz ist ein drei schichtiger Hardware Abstraction Layer (HAL), unter Einhaltung des ARM Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS), wobei die unteren zwei Schichten gemeinsam genutzt, und die oberste die individuelle Implementierung des Anwendungsfalls beinhaltet. Um das vorgestellte Konzept zu untersuchen wurden exemplarisch die Implementierungen zweier Hardware Module mit einem vorgeschlagenen Set an passenden Metriken für Bare Metal Software untersucht. Basierend auf batteriebetriebenem Einsatz des Chips und den damit verbundenen Anforderungen an geringen Stromverbrauch, wurde der Teil des HALs für die Power Management Unit untersucht. Als zweites Modul wurde die Schnittstelle zum dem auf dem Chip integriertem Transceiver gewählt, aufgrund der Schlüsselfunktion drahtloser Kommunikation. Die umfassende Auswertung zeigte, dass ungefähr 80% des HAL Quellcodes von der Pre-Silicon Verifikation ohne Veränderung für die darauffolgende produktive Programmierbibliothek weiterverwendet werden können. Jedoch müssen die genauen Schnittstellendefinitionen im Vorfeld festgelegt werden und bedürfen der Achtsamkeit des Trade-Offs hinsichtlich Performance und peicherbelegung. Abschließend an die Anwendbarkeit der kombinierten Entwicklung, wird ein detaillierter Ausblick auf weitere zukünftige Forschungsfragen zu diesem Thema gegeben.

Rising system-on-chip complexity and therewith functional verification effort drives the demand for innovative ideas to decrease required resource usage and shorten time-to-market. On a current pre-silicon development project of an ARM-based wireless sensor system-on-chip, the combination of hardware abstraction software design for system-level verification and a productive programming library was evaluated. The suggested approach is a three layer Hardware Abstraction Layer (HAL), in accordance to ARM Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS), where the bottom two layers are used in common, and the upper one is providing the particular use-case implementation. To survey the proposed concept, the implementations on two example hardware modules were evaluated with a proposed set of appropriate metrics for bare-metal software. Based on the battery-driven chip operation and therewith important low power requirements, the part of HAL regarding the custom developed power management unit was evaluated. As second module, the interface to the on-chip transceiver was selected, by the chip key functionality of wireless communication. The comprehensive evaluation showed that reuse of about 80% of HAL source code from pre-silicon verification could be achieved without any modification necessary, for the followed productive programming library development. However, the straight layer interface definitions have to be defined a-priori and need awareness for trade-offs regarding performance and memory utilization. Concluded with the applicability of combined development, a detailed outlook on reasonable extended future research on this topic is given.