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硬件设计中的属性形式验证（中文）

本书系统而实用地介绍了数字设计中的形式验证技术，重点涵盖属性描述、基于断言的建模方法以及可扩展的工程应用策略。通过大量实际硬件案例，引导读者掌握现代形式验证流程，兼顾理论基础与实现技巧，切实弥合概念认知与工程部署之间的差距，适合工程师、研究人员及高阶学习者使用。

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Last updated Apr 2025

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Resource: 硬件设计中的属性形式验证（中文）


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你可以获得：

  • 215 页综合学习资料 PDF：涵盖数字设计中形式化验证的核心概念，重点讲解性质定义、基于断言的建模以及可扩展的应用策略，并配有真实硬件案例。帮助工程师、研究人员和高级学习者衔接理论与实践。

  • 结业证书：顺利完成课程后可获得由 EDA Academy 颁发的官方结业证书，为你的简历与职业发展增添亮点。

  • 可在手机和电脑上访问：课程可在手机、平板与电脑上随时观看，让你无论在办公室、家中或出行途中，都能轻松学习。

  • 来自 EDA Academy 的持续支持：课程结束后，你依然可以获得我们团队的持续支持，帮助你巩固知识、解决实际问题。

  • 进阶学习规划：为你提供后续学习路径与推荐资源，让你在掌握本课程内容的基础上持续提升技能，拓展职业发展空间。

内容大纲

1 引言
  • 1.1 为什么要学习形式化验证
  • 1.2 适用对象与学习方法
  • 1.3 章节结构与实战主题
2 形式化验证简介

2.1 设计流程与验证挑战

  • 2.1.1 集成电路设计复杂性的引入
  • 2.1.2 数字设计流程与综合过程
  • 2.1.3 验证的作用与重要性
  • 2.1.4 基于综合的设计中关于验证的误区
  • 2.1.5 验证方法与形式化技术的兴起


2.2 硬件验证中的形式技术

  • 2.2.1 定义与目标
  • 2.2.2 形式验证的主要类型
  • 2.2.3 定理证明
  • 2.2.4 模型检查与语言包含
  • 2.2.5 等价性检查
  • 2.2.6 组合方法与设计变换


2.3 形式分析基础

  • 2.3.1 形式建模的概念
  • 2.3.2 可达性与状态深度
  • 2.3.3 形式验证中的证明算法
  • 2.3.4 形式验证结果的分类
  • 2.3.5 影响验证性能的因素
  • 2.3.6 形式工具性能的内在特征


2.4 形式验证的实用需求

  • 2.4.1 正确性与工具实现的独立性
  • 2.4.2 自动化与用户引导
  • 2.4.3 性能与可预测性
  • 2.4.4 与设计环境的集成
  • 2.4.5 支持调试与错误定位
  • 2.4.6 面向RTL与门级验证的应用
  • 2.4.7 优化空间与面向设计的策略
3 使用断言的形式化验证策略

3.1 通过轨迹观察失败与覆盖


3.2 形式验证中的结果可信度分析

  • 3.2.1 确定性验证结果
  • 3.2.2 灵活但有限的不完备方法
  • 3.2.3 有界形式验证


3.3 在形式验证中管理抽象与近似

  • 3.3.1 理解近似方法
  • 3.3.2 过度近似及其影响
  • 3.3.3 实际中的不足近似
  • 3.3.4 假设冲突带来的问题
  • 3.3.5 模型修剪与简化


3.4 在RTL验证中的形式方法应用

  • 3.4.1 详尽验证
  • 3.4.2 轻量级验证
  • 3.4.3 早期RTL验证


3.5 接口假设的定义与验证

  • 3.5.1 假设在形式验证中的作用
  • 3.5.2 假设在形式验证中的作用
  • 3.5.3 假设在形式验证中的作用


3.6 形式化验证效率


3.7 混合式验证方法

4 属性检查

4.1 形式验证中的属性检查

  • 4.1.1 概念解析
  • 4.1.2 数学完备性与穷尽性
  • 4.1.3 不依赖测试平台
  • 4.1.4 状态建模与属性验证
  • 4.1.5 与仿真联合使用，提升验证效果


4.2 通过属性检查增强设计保证

  • 4.2.1 属性检查流程
  • 4.2.2 属性检查优势
  • 4.2.3 属性编写建议


4.3 基于属性的验证概念

  • 4.3.1 属性分类
  • 4.3.2 用于功能检查的断言
  • 4.3.3 用于状态遍历的覆盖
  • 4.3.4 输入环境的假设建模


4.4 属性规范与形式验证

  • 4.4.1 属性描述的结构
  • 4.4.2 可观察性与可控性
  • 4.4.3 形式验证的流程
5 形式化属性验证

5.1 形式化属性验证简介

  • 5.1.1 基于形式方法的穷尽性设计验证
  • 5.1.2 理解形式化属性的验证机制
  • 5.1.3 穷尽性验证能力的价值
  • 5.1.4 形式验证的执行过程


5.2 形式与动态验证方法的综合策略

  • 5.2.1 对比两类验证技术
  • 5.2.2 影响形式验证效率的关键要素
  • 5.2.3 基于属性的验证思路


5.3 形式化属性验证流程及应用

  • 5.3.1 验证流程
  • 5.3.2 输入与输出要素
  • 5.3.3 适用场景与使用限制


5.4 搭建形式验证环境

  • 5.4.1 基于周期的模型
  • 5.4.2 输入约束
  • 5.4.3 端到端检查器
  • 5.4.4 功能覆盖属性
  • 5.4.5 形式验证IP（VIP）
6 覆盖率驱动的形式化属性验证

6.1 动态覆盖策略的探讨


6.2 基于变异分析的形式覆盖增强

  • 6.2.1 变异覆盖的基本原理
  • 6.2.2 变异的解读方式
  • 6.2.3 变异覆盖的分类方法
  • 6.2.4 基于 FSM 的覆盖度策略
  • 6.2.5 基于源代码的变异覆盖


6.3 结构与行为目标之间的差距探析

  • 6.3.1 功能覆盖与结构覆盖
  • 6.3.2 当前方法的着眼点
  • 6.3.3 结构覆盖的局限性
  • 6.3.4 案例分析：格雷码计数器
  • 6.3.5 强化属性编写的必要性


6.4 基于故障的规范完整性评估

  • 6.4.1 传统变异覆盖的局限性
  • 6.4.2 不依赖实现的规范验证思路
  • 6.4.3 引入故障驱动方法
  • 6.4.4 用故障敏感性定义覆盖标准
  • 6.4.5 澄清结构覆盖的误用
7 仲裁器设计的形式化验证技术

7.1 仲裁逻辑与公平性分析

  • 7.1.1 仲裁机制类型
  • 7.1.2 仲裁活性保障
  • 7.1.3 公平性属性的表达与验证


7.2 公平仲裁的保障机制

  • 7.2.1 带有公平限制的简单仲裁器
  • 7.2.2 实现公平性的断言
  • 7.2.3 针对其他客户端的公平性要求
  • 7.2.4 多客户端仲裁的扩展方案


7.3 仲裁器的专用属性

  • 7.3.1 授权互斥性检查
  • 7.3.2 延迟约束验证
  • 7.3.3 授权前提条件


7.4 基于优先级的授权控制

  • 7.4.1 两客户端的优先级规则
  • 7.4.2 断言失效示例分析
  • 7.4.3 多客户端扩展的复杂性
  • 7.4.4 优先级断言的自动化实现


7.5 动态加权仲裁机制

  • 7.5.1 积分机制与仲裁逻辑
  • 7.5.2 利用断言验证积分规则
  • 7.5.3 积分公平性与饥饿防止


7.6 客户端动态优先权机制

  • 7.6.1 基于事件的优先级切换
  • 7.6.2 基于断言的验证机制
  • 7.6.3 行为验证的分层策略


7.7 重叠请求的处理机制

  • 7.7.1 传统断言面临的困境
  • 7.7.2 引入标签实现精确配对
  • 7.7.3 断言逻辑中的延迟建模
  • 7.7.4 面向高吞吐系统的验证策略


7.8 面向仲裁器的可复用断言验证组件设计

  • 7.8.1 接口结构与信号定义
  • 7.8.2 自然语言行为描述
  • 7.8.3 构建断言接口
  • 7.8.4 增加分析功能
  • 7.8.5 整合与封装断言逻辑
8 使用形式化属性对控制器进行建模和验证

8.1 简化内存控制器的设计与验证

  • 8.1.1 简化的内存控制逻辑


8.2 接口结构与信号说明


8.3 SDRAM 控制器事务功能概述

  • 8.3.1 支持的内存事务类型
  • 8.3.2 状态控制与转换
  • 8.3.3 同步DRAM事务流程


8.4 使用自然语言描述属性


8.5 SDRAM控制中的断言集成

  • 8.5.1 信号接口与 modport 连接
  • 8.5.2 与分析环境的交互机制
  • 8.5.3 错误状态传递与报告机制
  • 8.5.4 用于断言可读性的信号建模
  • 8.5.5 信号命名一致性
  • 8.5.6 内存控制器行为的断言设计


8.6 封装断言以支持验证应用

9 将形式化方法应用于接口验证

9.1 串行通信中断言的构建思路


9.2 串行接口结构


9.3 启动与执行传输过程

  • 9.3.1 主从设备的职责
  • 9.3.2 寻址与命令发起
  • 9.3.3 应答与数据交换
  • 9.3.4 协议模型简述


9.4 接口行为定义


9.5 断言与总线监控集成

  • 9.5.1 串行总线接口封装
  • 9.5.2 错误状态分析端口机制
  • 9.5.3 增强可重用性
  • 9.5.4 串行总线复位行为验证
  • 9.5.5 检测重复启动信号
  • 9.5.6 保证信号顺序正确性
  • 9.5.7 合法传输大小验证


9.6 将断言组织成可重用验证组件

  • 9.6.1 分析端口实现通信功能
  • 9.6.2 实现可复用和可扩展性
10 使用形式化属性设计和验证数据路径

10.1 高效的队列验证方法

  • 10.1.1 队列结构与应用介绍
  • 10.1.2 队列特性与接口简洁性
  • 10.1.3 基于断言的验证方法


10.2 简化队列接口概览


10.3 队列操作与信号行为解析

  • 10.3.1 基本入队与出队操作
  • 10.3.2 中间条目的清除操作


10.4 用自然语言描述行为预期


10.5 断言监控器的集成设计

  • 10.5.1 接口信号封装
  • 10.5.2 连接分析组件
  • 10.5.3 错误报告机制设计
  • 10.5.4 队列行为的断言验证方法


10.6 断言整合与监控实现

介绍

理论与工程实践的有效融合

形式验证已成为现代数字硬件设计中不可或缺的环节，为功能正确性、完备性与鲁棒性提供了数学保障。本书从工程应用的角度出发，构建了一个兼具理论深度与实践可行性的形式验证框架，覆盖从 RTL 控制逻辑到接口协议及运算通道等多种设计层级。内容在强化模型检查、抽象优化、属性分解等理论基础的同时，也兼顾实际部署过程中的实现难点。

从属性描述到覆盖闭合的完整流程

书中首先剖析了形式验证技术的引入背景与动因，接着构建了一个统一的验证流程，涵盖属性规划、环境建模、有界证明策略以及结果分析。读者将系统掌握如何使用 SVA 与 PSL 等语言编写清晰、可扩展的属性，如何将这些属性嵌入端到端的验证框架中。通过对形式验证平台的构建、周期精确建模及约束复用机制的讲解，帮助读者搭建符合工业要求的验证环境。

面向真实设计的工程应用

本书以仲裁器、FIFO、队列、SDRAM 控制器等典型设计模块为载体，展示形式工具在复杂验证任务中的具体应用方法。读者将在实践中学会如何建模设计约束、定义完备性标准，并围绕控制路径与数据信息构建高效的验证监测机制。全书内容结合实际案例展开，每一个概念都配有实例支撑，切实实现从理论到工程应用的无缝衔接。

高阶主题：覆盖性、变异注入与完备性度量

针对传统仿真与断言覆盖的不足，书中引入基于变异分析的覆盖方法与故障注入技术，以加强验证完整性与属性描述的严密性。此外，还深入讨论了动态与形式结合的混合验证流程，提升在大规模系统中的缺陷发现能力与覆盖效率，为构建系统级验证策略提供指导。

适用对象与学习收获

本书适合形式验证工程师、数字设计人员、EDA 工具开发者及电子设计自动化领域的研究生阅读。它提供了可重用、可扩展的形式验证方法论，适用于新项目的验证设计，也可应用于现有代码的形式回归分析。读者将学会编写高质量属性、构建完备的验证环境，并掌握从覆盖分析到验证收敛的全过程技能，具备将形式技术部署于实际设计流程的综合能力。

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