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ISSレス高速協調検証技術 -ソフトウェア先行検証-
ISSレス高速協調検証技術 -ソフトウェア先行検証富士通LSIテクノロジ株式会社 SoCソリューション統括部 吉野 竜也 2006年9月8日 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved アジェンダ 当社の位置付け 開発の背景 組込みソフトウェア視点： 組込みシステム固有の問題 問題解決の手法： ソフトウェア先行検証 要素技術： ISSレス高速協調検証 車載ECUソフトウェア検証への適用事例 デモ （車載ECUソフトウェア検証事例より） ソフトウェア先行検証の課題 まとめ Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 2 当社（富士通LSIテクノロジ）の位置付け 富士通 ソフトサービス プラットフォーム 電子デバイス 富士通LSIテクノロジ (富士通100%出資) SoC設計ソリューション 生産・製造ISソリューション 検証 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 3 開発の背景 組込みシステム 益々の高機能化、開発期間の短期化、組込みソフト比率の増大 出典：経済産業省「2005年版組込みソフトウェア実態調査報告書」 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 4 開発の背景 組込みソフトウェア 開発規模が急激に増大 開発コスト増大 品質問題の顕在化 従来の組込みソフト開発手法は破綻 組込みソフト開発手法の変革が必要 6M 組込みソフトウェアのコード行数 5M 4M 3M 2M 1M 1998 出典：経済産業省「2005年版組込みソフトウェア実態調査報告書」 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 2005 出典:日経ビジネス2005 4/25より 5 組込みソフトの特徴 汎用プラットフォームのソフトウェアの特徴を継承 組込み固有の特徴 専用ハード、専用ソフトを並行開発 （HW/SWすり合わせ） HW、SWのすり合わせに起因する問題が多発 生産性低下要因 取り組むべき課題あり 手戻りコスト大 ソフトウェア 要件 設計 実装 HW待ち ハードウェア 要件 設計 実装 検証 上流工程で 障害潜在化 すり合わせ（紙ベース） 検証 下流工程で 障害顕在化 HW/SW すり合わせ検証 試験 手戻りコスト大 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 6 組込みソフト固有の問題 ハードウェアに起因して直面した課題 出典：経済産業省「2005年版組込みソフトウェア実態調査報告書」 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 7 組込みソフト固有問題の改善 HW/SWすり合わせ検証の早期化 HWをモデル化（仮想HW）してSWへ早期提供 仮想HW上でSW先行検証 （シミュレーション検証） 手戻りコストの小さい上流工程で品質作り込み 下流工程での大きな手戻り削減 全体コスト低減 手戻りコスト小 ソフトウェア 要件 実機検証 設計 実装 ソフトウェア先行検証 HW/SW すり合わせ検証 ハードウェア 前倒し HWモデル 要件 設計 実装 検証 試験 手戻りコスト小 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 8 ソフトウェア先行検証と実機検証の役割 シミュレーションと実機には差異あり シミュレーション精度 検証範囲に制約 役割分担 上流：シミュレーションで検証出来る部分 下流：実機でしか検証出来ない部分 ソフトウェア 品質作り込み 品質保証 実機検証 ソフトウェア先行検証（シミュレーション） 品質の作り込み 品質の保証 HWモデル(仮想HW) ハードウェア 実機 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 9 ソフトウェア・フロントローディング フロントローディング 上流工程にコスト集中 全体コスト低減 ソフトウェア・フロントローディング 組込みシステムへフロンローディングを適用 上流工程でのソフトウェア先行検証にコスト集中 全体の開発コストを低減 コスト フロントローディング 従来 t Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 10 ソフトウェア先行検証の実現に向けて ハードウェア・ソフトウェア協調シミュレーションが使えるか？ LSI設計支援技術の一環として開発された 主にハードウェア検証(システムLSI検証)を目的とする技術 仮想ハード上でソフト動作をシミュレーションする技術 システムLSI 大規模HW/SWで構成される組込みシステム 方向としては適合しそうだが… Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 11 ハードウェア・ソフトウェア協調シミュレーション ターゲットCPU 命令語 SW(C言語) 実機 周辺HW ターゲット・コンパイラ ROM (命令語) 周辺HW CPU 周辺HW 周辺HW ハードウェアモデル (周辺HW) HW・SW協調シミュレーション ソフトウェア HWモデル(C言語) メモリ (ターゲットCPU命令語) ISS (CPUモデル) ※ISS: Instruction Set Simulator 命令語を逐次解釈することでCPUを模擬 ネイティブ・コンパイラ ネイティブ命令語 協調シミュレータ PC (CPU: Pentium) Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 12 HW・SW協調シミュレーションの課題 現状技術によるシミュレーション速度は、100KHz程度 ソフトウェア検証に用いるには速度が遅い 10MHzから100MHzの速度が欲しい 従来比で100倍～1000倍の高速化が必要 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 13 課題を解決する要素技術開発への取り組み ISSレス高速協調検証技術の開発 組織 目的 目標 期間 株式会社半導体理工学研究センター（STARC） ソフトウェア先行検証 従来比1000倍高速のHW・SW協調シミュレーション技術を開発 2003/4～2006/3 あすかプロジェクト 位置付け 民間共同研究プロジェクト 目的 国内半導体産業の競争力強化 期間 2001/4～2006/3 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 14 ISSレス高速協調検証の位置付け 108 ソフトウェア先行検証 出典：ET2005 STARC スペシャルセッション 2005/11/17 シミュレーション速度 サ(イクル／秒 目標速度：1000倍 ISSレス高速協調検証 107 106 従来技術 105 従来技術 104 ) 従来技術 103 Clock Cycle Accurate Clock Cycle Accurate ソフト：ISS ハード： RTL-HDLモデル ソフト：ISS ハード： RTL-Cモデル ISS：Instruction Set Simulator RTL：Register-Transfer-Level Bus Cycle Accurate ソフト：ISS ハード： TLMモデル Software Accurate ソフト：ISSレス ハード： PVTモデル シミュレーション精度(高⇒低) TLM：Transaction-Level Modeling Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved PVT：Programmers-View with Timing 15 ISSレス高速協調検証（原理） 従来HW/SW協調シミュレーション ISSレス高速協調シミュレーション ISS(ターゲットCPUモデル) 命令語を逐次解釈してCPU模擬 HWモデル(PVT) HWモデル(RTL, TLM) HW検証が目的 SWにとって必要のない情報を含む ISSレス ISSを省略 ISSをPC Pentiumで置換 処理コスト大 ソフトウェア先行検証には速度不足 HWモデルを高抽象化 SWから見た挙動をモデル化 処理コストを低減 1000高速化 ※ISS: Instruction Set Simulator ※PVT: Programmers View with Timing Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 16 ISSレス高速協調検証（原理） 従来HW・SW協調シミュレーション ISSレス高速協調シミュレーション（原理） ソフトウェア ハードウェアモデル (CPU周辺) ソフトウェア ハードウェアモデル (CPU周辺) SWソース(C) HWモデル(RTL/TLM) SWソース(C) HWモデル(PVT) ターゲット・コンパイラ ネイティブ・コンパイラ ネイティブ・コンパイラ ネイティブ・コンパイラ ネイティブ命令語 ネイティブ命令語 ネイティブ命令語 ターゲットCPU命令語 ISS (ターゲットCPUモデル) 協調シミュレータ 協調シミュレータ PC (CPU: Pentium) PC (CPU: Pentium) 処理コストが大きいISS (Instruction Set Simulator=CPUモデル) を省略 HWモデルを高抽象化（PVT: SWから見たHWの挙動をモデル化）して処理コスト低減 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 17 ISSレス高速協調検証（原理）の課題と対策 ターゲットCPU上でのソフトウェア走行時間が評価出来ない バジェッタ(SW走行時間見積り)により時間評価を補完 検証対象はC言語に限定（アセンブラは評価出来ない） アセンブラはRTOS内部(数%)に局在 RTOSモデルを構築、提供することで制約を緩和 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 18 バジェッターによるSW走行時間評価 ソフトウェア(timed) ソフトウェア(untimed) S S 処理A 処理A Δt a バジェッタ （静的解析） 処理B 処理C E ターゲットCPU上でのソフト走行時間を見積もる 見積もった時間情報をソフトに付加（時間付きソフト） 時間付きソフトをシミュレーションして走行時間を評価 処理B 処理C Δt b Δt c E コンパイル シミュレーション実行 （動的解析） Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 19 バジェッタの処理概要 SW(untimed) C言語 走行時間解析 ターゲット・コンパイラ ターゲット命令語 解析 走行時間情報 SW(timed) SystemC:内部処理系 時間情報付加 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 20 RTOSモデル SWスレッド群 HWスレッド群 タスク 割り込み処理 HWモデル タスク 割り込み処理 HWモデル RTOSモデル 仮想RTOS・API HWモデル HWモデル 仮想RTOSスケジューラ 協調シミュレーション・API 協調シミュレーション・スケジューラ タスク、割り込み処理、HWモデルはスレッドに割り当てられ並行動作する スレッドは協調シミュレーションのスケジューラで管理 タスク、割り込み処理はスレッドに割り当て仮想RTOSスケジューラで管理 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 21 ISSレス高速協調検証の全体構成 ソフトウェア ハードウェアモデル (CPU周辺) SWソース(untimed) バジェッタ (SW走行時間見積り) SWソース(timed) HWモデル(PVT) ネイティブ・コンパイラ ネイティブ・コンパイラ ネイティブ命令語 ネイティブ命令語 RTOSモデル 協調シミュレータ PC (CPU: Pentium) Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 22 ISSレス高速協調検証のバリエーション SW S HWモデル untimed 処理A S timed 処理A Δt a SW機能検証 （バジェットなし） 処理B 処理B 処理C E E S Δt b S timed 処理A 処理A Δt a Δt a timed 処理B 処理B 処理C Δt b Δt c E Δt b SWタイミングクリティカル検証 （バジェットあり） E Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 23 ISSレス高速協調検証の導入メリット 先行検証が可能 HWモデルがあれば、実機HWが出来る前にSW検証が可能 検証が容易 インタラクティブ・デバック（停止、続行）が可能 現象のモニタが容易 （システム内部を何処でも見れる） テスト条件設定が容易 （起こり難いテストケースの設定容易） 検証プラットフォームの扱いが容易 安定性良好 配布容易（インターネット配信、コピー） 版数管理容易 ISSレス検証 従来実機検証 ソフトウェアの先行検証 検証容易性 検証プラットフォーム扱い容易性 ○ ○ ○ Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved × △ △ 24 検証容易性（インタラクティブ・デバック） 従来（実機） ICE インタラクティブ・デバック（×） ※ブレークポイントでの停止でシステムが破綻する ※ICE: In Circuit Emulator ISSレス高速協調検証（仮想） ISSレス高速協調検証 ソフトウェア インタラクティブ・デバック（○） ※ブレークポイントでの停止でシステム停止 ハードウェアモデル 協調シミュレータ PC (CPU: Pentium) Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 25 検証プラットフォームの配布容易性 従来（実機） ISSレス高速協調検証（仮想） 仮想検証プラットフォーム RTOSモデル HWモデル 実機検証プラットフォーム 協調シミュレータ ※実際に運搬 ※複製工数大 ※ネットワークで配信 ※複製工数小（コピー可能） Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 26 ISSレス高速協調検証の応用 ISSレス・フレームワーク ISSレス高速協調検証環境を構築する際に必要な枠組みを提供 コマンド ジェネレータ （コンフィグレータ） SW(C言語) コンフィグレーション バジェッタ (SW走行時間見積り) インタラクティブ・デバック ソフトウェア タスク ハードウェア HWモデル タスク HWモデル タスク HWモデル ISR HWモデル ISR HWモデル RTOSモデル 外部システム （テストベンチ） ISSレス・フレームワーク 協調シミュレーション・カーネル Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 27 ISSレスフレームワークによるモデリング ISSレス高速協調検証環境の効率的な構築 ソフトウェア ハードウェア 割り込み処理 HWモデル S S タスク起動 E スレッド間 通信処理 データ書き込み 割り込み要求 タスク S 時間待ち Δt データ読み出し E E ISSレス・フレームワーク 割り込み処理 起動 スレッド 時間待ち タスク 起動 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 28 RTOSモデルのバリエーション展開 μITRON モデル カスタムRTOS モデル OSEK モデル V-RTOS V-RTOS(当社仮想RTOS)をコアとして各種RTOSモデルを派生 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 29 ISSレス高速協調検証パートナー 株式会社インターデザイン・テクノロジー キャッツ株式会社 株式会社アドバンスド・データ・コントロールズ ISSレス高速協調検証 富士通テン株式会社 富士通LSIテクノロジー株式会社 ISSレス・フレームワーク Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 30 車載ECUソフトウェア検証適用の背景 ECUは、約60個/クルマ1台 ■キーレス・エントリ・システム ■イモビライザ ■ミラー制御■ドア制御 ■バックモニタ ■インパネ制御 ■雨滴感知ワイパー ■プリ・クラッシュ・セーフシステム ■ライト制御 ■カーナビ ■ABS ■車両挙動安定制御 ■ナイトビジョン ■AT制御 ■トラクション・コントロール ■エアコン制御 ■シート制御 ■エンジン制御 ■ステアリング制御 ■オートクルーズ・コントロール ※ECU Electric Control Unit 組込みソフト規模 対数 ※組込みソフト規模の増加 15倍/10年 ■エア・バック制御 ■空気センサ ■ブレーキ制御 車載組込みソフト開発危機 インフラ協調処理 統合処理 独立処理 マルチECU 標準RTOS 車載ネットワーク結合 ECU ハーネス接続 ユビキタス センタ情報共有 広域ネットワーク結合 2007 ソフトウェア規模が益々増大 ソフトウェア品質が安全性に直接関わる 2011 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 31 車載ECUソフトウェア検証への適用事例 HILS(Hardware In the Loop Simulation)による検証 検証対象 シミュレータ(リアルタイム) 制御対象モデル(MATLAB/Simulink) ECU（実機） ISSレス高速協調検証による完全仮想化 仮想ECU SW HW モデル シミュレータ 制御対象モデル(MATLAB/Simulink) ISSレス・フレームワーク 協調シミュレーション・カーネル Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 32 車載ECUソフトウェア検証への適用事例 仮想ECU テストベンチ テストパターン作成 インタラクティブ・デバック ソフトウェア ハードウェア タスク HWモデル タスク HWモデル タスク HWモデル ISR HWモデル ISR HWモデル OSEKモデル 制御対象モデル(MATLAB/Simulink) 計測機能 ISSレス・フレームワーク 協調シミュレーション・カーネル Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 33 車載ECUのネットワーク統合化 ECU約60個/クルマ1台 ネットワーク統合プラットフォーム化 ECUソフトウェア生産性向上 機能向上（利便性、安全性） ECU ECU ECU ECU ECU ECU ネットワーク ECU ECU Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 34 ネットワーク統合システム （複数タスク/ECU × 複数ECU）が相互干渉 複雑系 ECU ECU ECU ECU タスク タスク タスク タスク タスク タスク RTOS タスク タスク タスク RTOS タスク タスク タスク RTOS RTOS ネットワーク ECU ECU ECU ECU タスク タスク タスク タスク タスク タスク RTOS タスク タスク RTOS タスク タスク RTOS Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved タスク タスク RTOS 35 ネットワーク統合システムのソフトウェア先行検証 ISSレスの高速性・高解析性を活用した複雑系の早期検証に期待 仮想ECU SW 仮想ECU 仮想ECU 仮想ECU 仮想ECU 仮想ECU HW モデル ISSレス・フレームワーク 協調シミュレーション・カーネル 仮想ネットワーク 仮想ECU SW 仮想ECU HW モデル ISSレス・フレームワーク 協調シミュレーション・カーネル Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 36 車載ECUソフトウェア先行検証のデモ 仮想ネットワーク 仮想ECU 仮想ECU HW モデル HW モデル ISSレス・フレームワーク ISSレス・フレームワーク 協調シミュレーション・カーネル 協調シミュレーション・カーネル SW SW ISSレス・フレームワーク協調機構 テストベンチ 計測機能 計測機能 テストパターン作成 制御対象モデル(MATLAB/Simulink) Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 37 ソフトウェア先行検証の課題 HWモデルの開発コスト＆開発期間が導入障壁 開発コスト低減、開発期間短縮 HWモデル部品の蓄積再利用 HWモデル開発へのモデル駆動アーキテクチャ適用 SWが実装レベル 「HW/SWすり合わせ」の前倒しに限界 SW前倒し モデル駆動アーキテクチャ Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 38 HWモデル部品の蓄積再利用 仮想HWプラットフォーム(A) HWモデル(1) HWモデル(2) 登録 登録 登録 CPU(ISSレス) HWモデル(3) 登録 HWモデル(4) ナレッジデータベース HWモデル(1) 蓄積 HWモデル(2) HWモデル(3) HWモデル(4) HWモデル(A) 仮想HWプラットフォーム(B) HWモデル(1) 再利用 HWモデル(C) 登録 HWモデル(D) 再利用 HWモデル(5) HWモデル(A) CPU(ISSレス) HWモデル(B) HWモデル(3) 登録 HWモデル(B) HWモデル(6) HWモデル(E) 仮想HWプラットフォーム(C) 仮想HWプラットフォーム(D) Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 39 「HW/SWすり合わせ」の更なる前倒し 高位モデル Model Driven Architecture SW実装 モデル・コンパイラ ISSレスHWモデル アクション記述 ソフトウェア 要件 設計 実装 ソフトウェア先行検証 実機検証 高位モデル HW/SW すり合わせ検証 ハードウェア 更なる前倒し 高位モデル ISSレスHWモデル 要件 設計 実装 検証 試験 Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 40 まとめ ISSレス高速協調検証技術を応用した ソフトウェア先行検証技術を開発した 車載ECUソフトウェアの検証に適用し、 従来比100倍～1000倍のシミュレーション速度達成に目処 今後、検証事例を積み上げて実用化を目指す HWモデル生産性向上、更なる検証前倒しが課題 次世代の組込みソフト検証を担うキーテクノロジを得た Copyright©2006 by Fujitsu LSI Technology Limited All Right Reserved 41 富士通LSIテクノロジ株式会社 SoC営業推進部 〒213-0012 神奈川県川崎市高津区坂戸３－２－１ ＫＳＰ Ｒ＆Ｄ Ａ棟３Ｆ TEL:044-812-8048 FAX:044-812-8066 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