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Functional verification is a critical part in the hardware design process cycle, and it contributes for nearly two-thirds of the overall development time. With increasing complexity of hardware designs and shrinking time-to-market constraints, the time and resources spent on functional verification has increased considerably. To mitigate the increasing cost of functional verification, research and academia have been engaged in proposing techniques for improving the simulation of hardware designs, which is a key technique used in the functional verification process. However, the proposed techniques for accelerating the simulation of hardware designs do not leverage the performance benefits offered by multiprocessors/multi-core and heterogeneous processors available today. With the growing ubiquity of powerful heterogeneous computing systems, which integrate multi-processor/multi-core systems with heterogeneous processors such as GPUs, it is important to utilize these computing systems to address the functional verification bottleneck. In this thesis, I propose a technique for accelerating SystemC simulations across multi-core CPUs and GPUs. In particular, I focus on accelerating simulation of SystemC models that are described at both the Register-Transfer Level (RTL) and Transaction Level (TL) abstractions. The main contributions of this thesis are: 1.) a methodology for accelerating the simulation of mixed abstraction SystemC models defined at the RTL and TL abstractions on multi-core CPUs and GPUs and 2.) An open-source static framework for parsing, analyzing, and performing source-to-source translation of identified portions of a SystemC model for execution on multi-core CPUs and GPUs.

Esta dissertação descreve um conjunto de ferramentas, VEasy, o qual foi desenvolvido especificamente para auxiliar no processo de Verificação Funcional. VEasy contém quatro módulos principais, os quais realizam tarefas-chave do processo de verificação como linting, simulação, coleta/análise de cobertura e a geração de testcases. Cada módulo é comentado em detalhe ao longo dos capítulos. Todos os módulos são integrados e construídos utilizando uma Interface Gráfica. Esta interface possibilita o uso de uma metodologia de criação de testcases estruturados em camadas, onde é possível criar casos de teste complexos através do uso de operações do tipo drag-and-drop. A forma de uso dos módulos é exemplificada utilizando projetos simples escritos em Verilog. As funcionalidades da ferramenta, assim como o seu desempenho, são comparadas com algumas ferramentas comerciais e acadêmicas. Assim, algumas conclusões são apresentadas, mostrando que o tempo de simulação é consideravelmente menor quando efetuada a comparação com as ferramentas comerciais e acadêmicas. Os resultados também mostram que a metodologia é capaz de permitir um alto nível de automação no processo de criação de testcases através do modelo baseado em camadas. / This thesis describes a tool suite, VEasy, which was developed specifically for aiding the process of Functional Verification. VEasy contains four main modules that perform linting, simulation, coverage collection/analysis and testcase generation, which are considered key challenges of the process. Each of those modules is commented in details throughout the chapters. All the modules are integrated and built on top of a Graphical User Interface. This framework enables the testcase automation methodology which is based on layers, where one is capable of creating complex test scenarios using drag-anddrop operations. Whenever possible the usage of the modules is exemplified using simple Verilog designs. The capabilities of this tool and its performance were compared with some commercial and academic functional verification tools. Finally, some conclusions are drawn, showing that the overall simulation time is considerably smaller with respect to commercial and academic simulators. The results also show that the methodology is capable of enabling a great deal of testcase automation by using the layering scheme.

Esta dissertação descreve um conjunto de ferramentas, VEasy, o qual foi desenvolvido especificamente para auxiliar no processo de Verificação Funcional. VEasy contém quatro módulos principais, os quais realizam tarefas-chave do processo de verificação como linting, simulação, coleta/análise de cobertura e a geração de testcases. Cada módulo é comentado em detalhe ao longo dos capítulos. Todos os módulos são integrados e construídos utilizando uma Interface Gráfica. Esta interface possibilita o uso de uma metodologia de criação de testcases estruturados em camadas, onde é possível criar casos de teste complexos através do uso de operações do tipo drag-and-drop. A forma de uso dos módulos é exemplificada utilizando projetos simples escritos em Verilog. As funcionalidades da ferramenta, assim como o seu desempenho, são comparadas com algumas ferramentas comerciais e acadêmicas. Assim, algumas conclusões são apresentadas, mostrando que o tempo de simulação é consideravelmente menor quando efetuada a comparação com as ferramentas comerciais e acadêmicas. Os resultados também mostram que a metodologia é capaz de permitir um alto nível de automação no processo de criação de testcases através do modelo baseado em camadas. / This thesis describes a tool suite, VEasy, which was developed specifically for aiding the process of Functional Verification. VEasy contains four main modules that perform linting, simulation, coverage collection/analysis and testcase generation, which are considered key challenges of the process. Each of those modules is commented in details throughout the chapters. All the modules are integrated and built on top of a Graphical User Interface. This framework enables the testcase automation methodology which is based on layers, where one is capable of creating complex test scenarios using drag-anddrop operations. Whenever possible the usage of the modules is exemplified using simple Verilog designs. The capabilities of this tool and its performance were compared with some commercial and academic functional verification tools. Finally, some conclusions are drawn, showing that the overall simulation time is considerably smaller with respect to commercial and academic simulators. The results also show that the methodology is capable of enabling a great deal of testcase automation by using the layering scheme.

Esta dissertação descreve um conjunto de ferramentas, VEasy, o qual foi desenvolvido especificamente para auxiliar no processo de Verificação Funcional. VEasy contém quatro módulos principais, os quais realizam tarefas-chave do processo de verificação como linting, simulação, coleta/análise de cobertura e a geração de testcases. Cada módulo é comentado em detalhe ao longo dos capítulos. Todos os módulos são integrados e construídos utilizando uma Interface Gráfica. Esta interface possibilita o uso de uma metodologia de criação de testcases estruturados em camadas, onde é possível criar casos de teste complexos através do uso de operações do tipo drag-and-drop. A forma de uso dos módulos é exemplificada utilizando projetos simples escritos em Verilog. As funcionalidades da ferramenta, assim como o seu desempenho, são comparadas com algumas ferramentas comerciais e acadêmicas. Assim, algumas conclusões são apresentadas, mostrando que o tempo de simulação é consideravelmente menor quando efetuada a comparação com as ferramentas comerciais e acadêmicas. Os resultados também mostram que a metodologia é capaz de permitir um alto nível de automação no processo de criação de testcases através do modelo baseado em camadas. / This thesis describes a tool suite, VEasy, which was developed specifically for aiding the process of Functional Verification. VEasy contains four main modules that perform linting, simulation, coverage collection/analysis and testcase generation, which are considered key challenges of the process. Each of those modules is commented in details throughout the chapters. All the modules are integrated and built on top of a Graphical User Interface. This framework enables the testcase automation methodology which is based on layers, where one is capable of creating complex test scenarios using drag-anddrop operations. Whenever possible the usage of the modules is exemplified using simple Verilog designs. The capabilities of this tool and its performance were compared with some commercial and academic functional verification tools. Finally, some conclusions are drawn, showing that the overall simulation time is considerably smaller with respect to commercial and academic simulators. The results also show that the methodology is capable of enabling a great deal of testcase automation by using the layering scheme.

Este trabalho apresenta o projeto, a verificação funcional e a síntese dos módulos funcionais de um comutador Gigabit Ethernet. As funções destes módulos encontramse definidas nos padrões IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q, IEEE 802.3 e nos seguintes RFCs (Request for Comments): RFC 2697, RFC 2698 e RFC 4115. Estes módulos formam o núcleo funcional do comutador e implementam as principais funções dele. Neste trabalho quatro módulos são desenvolvidos e validados. Estes módulos foram projetados para serem inseridos na plataforma NetFPGA, formando o chamado “User Data Path”. Esta plataforma foi desenvolvida pela universidade de Stanford para permitir a prototipagem rápida de hardware para redes. O primeiro módulo chamado de “Árbitro de entrada” decide qual das portas de entrada do comutador ele vai atender, para que os quadros que ingressam por essa porta sejam processados. Este módulo utiliza um algoritmo Deficit Round Robin (DRR). Este algoritmo corrige um problema encontrado no módulo original desenvolvido na plataforma NetFPGA. O segundo módulo é o “Pesquisador da porta de saída”. O bloco principal deste módulo é o motor de classificação. A função principal do motor de classificação e aprendizagem de endereços MAC é encaminhar os quadros à suas respectivas portas de saída. Para cumprir esta tarefa, ele armazena o endereço MAC de origem dos quadros em uma memória SRAM e é associado a uma das portas de entrada. Este motor de classificação utiliza um mecanismo de hashing que foi provado que é eficaz em termos de desempenho e custo de implementação. São apresentadas duas propostas para implementar o motor de classificação. Os resultados da segunda proposta permite pesquisar efetivamente 62,5 milhões de quadros por segundo, que é suficiente para trabalhar a uma taxa wire-speed em um comutador Gigabit de 42 portas. O maior desafio foi conseguir a taxa de wire-speed durante o processo de “aprendizagem” usando uma memória SRAM externa. O terceiro módulo é o marcador de quadros. Este módulo faz parte do mecanismo de qualidade de serviço (QoS). Com este módulo é possível definir uma taxa máxima de transferência para cada uma das portas do comutador. O quarto módulo (Output Queues) implementa as filas de saída do comutador. Este módulo faz parte de plataforma NetFPGA, mas alguns erros foram encontrados e corrigidos durante o processo de verificação. Os blocos foram projetados utilizando Verilog HDL e visando as suas implementações em ASIC, baseado em uma tecnologia de 180 nanômetros da TSMC com a metodologia Semi-Custom baseada em standard cells. Para a verificação funcional foi utilizada a linguagem SystemVerilog. Uma abordagem de estímulos aleatórios restritos é utilizada em um ambiente de testbench com capacidade de verificação automática. Os resultados da verificação funcional indicam que foi atingido um alto porcentual de cobertura de código e funcional. Estes indicadores avaliam a qualidade e a confiabilidade da verificação funcional. Os resultados da implementação em ASIC amostram que os quatro módulos desenvolvidos atingem a freqüência de operação (125 MHz) definida para o funcionamento completo do comutador. Os resultados de área e potência mostram que o módulo das Filas de saída possui a maior área e consumo de potência. Este módulo representa o 92% da área (115 K portas lógicas equivalentes) e o 70% da potência (542 mW) do “User Data Path”. / This work presents the design, functional verification and synthesis of the functional modules of a Gigabit Ethernet switch. The functions of these modules are defined in the IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q, IEEE 802.3 standards and the following RFCs (Request for Comments): RFC 2697, RFC 2698 and RFC 4115. These modules are part of the functional core of the switch and implement the principal functions of it. In this work four modules are developed and validated. These modules were designed to be inserted in the NetFPGA platform, as part of the “User Data Path”. This platform was developed at Stanford University to enable the fast prototype of networking hardware. The first module called “input arbiter” decides which input port to serve next. This module uses an algorithm Deficit Round Robin (DRR). This algorithm corrects a problem found in the original module developed in the NetFPGA platform. The second module is the classification engine. The main function of the MAC address classification engine is to forward Ethernet frames to their corresponding output ports. To accomplish this task, it stores the source MAC address from frames in a SRAM memory and associates it to one of the input ports. This classification engine uses a hashing scheme that has been proven to be effective in terms of performance and implementation cost. It can search effectively 62.5 million frames per second, which is enough to work at wire-speed rate in a 42-port Gigabit switch. The main challenge was to achieve wire-speed rate during the “learning” process using external SRAM memory. The third module is the frame marker. This module is part of the quality of service mechanism (QoS). With this module is possible to define a maximum transmission rate for each port of the switch. The fourth module (Output Queues) implements the output queues of the switch. This module is part of the NetFPGA platform, but some errors were found and corrected during the verification process. These module were designed using Verilog HDL, targeting the NetFPGA prototype board and an ASIC based on a 180 nm process from TSMC with the Semi-custom methodology based on standard cells. For the functional verification stage is used the SystemVerilog language. A constrained-random stimulus approach is used in a layered-testbench environment with self-checking capability. The results from the functional verification indicate that it was reached a high percentage of functional and code coverage. These indicators evaluate the quality and reliability of the functional verification. The results from the ASIC implementation show that the four modules developed achieve the operation frequency (125 MHz) defined for the overall switch operation. The area and power results demonstrate that the Output Queues module has the largest area and power consumption. This module represents the 92% of area (115 K equivalent logic gates) and the 70% of power (542 mW) from the User Data Path.

Nos ambientes de desenvolvimento de sistemas integrados da atualidade, os requisitos dos sistemas devidos ao alto grau de funcionalidades incorporadas vêm-se incrementando, gerando uma alta complexidade nos projetos. Isto traz como consequência o aumento na quantidade de ciclos dentro do fluxo de projeto. Uma solução tem sido o uso de blocos IP para acelerar o desenvolvimento. Entretanto, para garantir um grau elevado de confiabilidade destes componentes, os processos de verificação devem comprovar que todas as propriedades do circuito estejam sendo cumpridas. Uma das técnicas utilizadas para isto é verificação funcional por simulação, que procura explorar, através da injeção de vetores de teste, a maior porção possível de todo o espaço de estados do circuito. Quanto maior o número de estados possíveis, maior o número de vetores de testes que devem ser inseridos. Portanto, o número de vetores de teste deve ser reduzido de forma considerável, entretanto, por este fato, métricas para determinar a completeza do processo de verificação, definidas como modelos de cobertura, têm sido necessárias. As métricas de cobertura são estabelecidas segundo as estratégias de observação do projeto sob verificação, DUV, sendo bastante comum na indústria a de caixa preta que tem como objetivo a estimulação das entradas e a observação dos eventos de saída do DUV. Neste caso, para determinar se o sistema cumpre com as especificações, o engenheiro de verificação, deve definir os eventos à saída que considera relevantes e as métricas para determinar a quantidade de vezes que devem ser observadas. Este tipo de modelagem é conhecido como cobertura por itens. A quantidade de itens e os eventos a serem observados podem ser dfinidos pelo conhecimento especialista, dos engenheiros de verificação ou, para simplificar esta tarefa, uma distribuição uniforme é adotada. Como estas formas de modelagem não abstraem todas as propriedades do circuito, o perfil da distribuição de valores dos eventos (parâmetros) escolhidos, em geral, não estão correlacionados com o perfil real verficado durante a execução dos testbenches , tendo como consequência o aumento dos tempos de simulação. Para tratar do problema acima, o presente trabalho tem como objetivo geral o desenvolvimento de uma metodologia para obter um modelo de cobertura de saída que apresente um perfil de distribuição semelhante ao real e que, assim, assista o engenheiro de verificação na seleção dos pontos ou intervalos de saída de interesse, adicionado-os às decisões derivadas de seu conhecimento especialista. Pela metodologia utilizada, encontra-se a(s) equação(ões) que define(m) a(s) saída(s) do circuito sob verificação e, a partir destas, a distribuição probabilística por evento observável. No centro da metodologia está a ferramenta PrOCov (Probabilistic Output Coverage), projetada com os objetivos acima. A metodologia e a ferramenta foram testadas com alguns exemplos de circuitos, modelos em alto nível do filtro FIR, do processador FFT e do filtro Elliptic, todos descritos em SystemC. Nos três casos testados, o PrOCov encontrou satisfatoriamente os respectivos perfis de saída. Estes foram comparados com os perfis obtidos por simulação, mostrando que uma excelente precisão pode ser obtida; apenas pequenas variações foram encontradas devidas a erros de aproximação. Também variações de precisão e tempo de simulação em função da resolução dos parâmetros de saída (eventos) foram analisadas nesta dissertação. / In current integrated system development environments, the requirements for the design of multi-function systems have increased constantly. Consequently, the number of iterations in the design flow has also grown. A solution for this problem has been the use of IP-cores to speed up the hardware development. However, to guarantee high level of reliability for these components, the verification process has to be kept strict in other to prove if the all system properties have been satisfied. The mainstream technique that has been used in the industry for the verification process is the dynamic functional verification. It aims to explore, by test vector injection, all the state space of the circuit. The higher the number of possible states, the higher the number of test vectors to be inserted. Therefore, the number of test vectors must be kept as low as possible. Due to that, completion and sufficiency metrics, identified as the coverage model, should be carefully defined. The coverage metrics are established according the observation strategies of the design under verification, DUV, where the black box approach is very common in the industry, being aimed at the stimulation of the inputs and observing the events of the DUV output. To determine whether the system meets the specifications, the verification engineer must define the events (s)he considers relevant at the output and the metrics used to determine the amount of times that the results must be observed. This type of modeling is known as item coverage. The amount of items and events to be observed may be defined by the experience of the engineer, but in most cases, to simplify this task, a uniform distribution is adopted. Those forms of modeling do not abstract the functionality of the circuit, then, the probability distribution of the chosen events is uncorrelated to the real simulated distribution, when the testbenchs are implemented. Therefore, the resulting simulation time increases. To solve the problem that is mentioned above, this work aims the development of a methodology to compute the output coverage, which should be similar to the real output value distribution and thus assist the engineer in the selection of the proper check points or output ranges of interest, by adding them to the decisions derived from his(her) knowledge. This methodology finds the equations that represent the outputs of the DUV and, from them, it computes the output probabilistic distribution. At the core of this methodology is the PrOCov (Probabilistic Output Coverage) tool, which was developed with the goals above. Both methodology and tool were tested with three circuits described in high level language, the FIR filter, FFT processor and Elliptic filter, written in SystemC. In all three cases, PrOCov presented a satisfactorily output distribution. Excellent precision could be achieved by the results, with only small variations found due to approximation errors. Also variations of accuracy and simulation time due to different resolutions of the output parameters (events) were analyzed in this dissertation.

Este trabalho apresenta o projeto, a verificação funcional e a síntese dos módulos funcionais de um comutador Gigabit Ethernet. As funções destes módulos encontramse definidas nos padrões IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q, IEEE 802.3 e nos seguintes RFCs (Request for Comments): RFC 2697, RFC 2698 e RFC 4115. Estes módulos formam o núcleo funcional do comutador e implementam as principais funções dele. Neste trabalho quatro módulos são desenvolvidos e validados. Estes módulos foram projetados para serem inseridos na plataforma NetFPGA, formando o chamado “User Data Path”. Esta plataforma foi desenvolvida pela universidade de Stanford para permitir a prototipagem rápida de hardware para redes. O primeiro módulo chamado de “Árbitro de entrada” decide qual das portas de entrada do comutador ele vai atender, para que os quadros que ingressam por essa porta sejam processados. Este módulo utiliza um algoritmo Deficit Round Robin (DRR). Este algoritmo corrige um problema encontrado no módulo original desenvolvido na plataforma NetFPGA. O segundo módulo é o “Pesquisador da porta de saída”. O bloco principal deste módulo é o motor de classificação. A função principal do motor de classificação e aprendizagem de endereços MAC é encaminhar os quadros à suas respectivas portas de saída. Para cumprir esta tarefa, ele armazena o endereço MAC de origem dos quadros em uma memória SRAM e é associado a uma das portas de entrada. Este motor de classificação utiliza um mecanismo de hashing que foi provado que é eficaz em termos de desempenho e custo de implementação. São apresentadas duas propostas para implementar o motor de classificação. Os resultados da segunda proposta permite pesquisar efetivamente 62,5 milhões de quadros por segundo, que é suficiente para trabalhar a uma taxa wire-speed em um comutador Gigabit de 42 portas. O maior desafio foi conseguir a taxa de wire-speed durante o processo de “aprendizagem” usando uma memória SRAM externa. O terceiro módulo é o marcador de quadros. Este módulo faz parte do mecanismo de qualidade de serviço (QoS). Com este módulo é possível definir uma taxa máxima de transferência para cada uma das portas do comutador. O quarto módulo (Output Queues) implementa as filas de saída do comutador. Este módulo faz parte de plataforma NetFPGA, mas alguns erros foram encontrados e corrigidos durante o processo de verificação. Os blocos foram projetados utilizando Verilog HDL e visando as suas implementações em ASIC, baseado em uma tecnologia de 180 nanômetros da TSMC com a metodologia Semi-Custom baseada em standard cells. Para a verificação funcional foi utilizada a linguagem SystemVerilog. Uma abordagem de estímulos aleatórios restritos é utilizada em um ambiente de testbench com capacidade de verificação automática. Os resultados da verificação funcional indicam que foi atingido um alto porcentual de cobertura de código e funcional. Estes indicadores avaliam a qualidade e a confiabilidade da verificação funcional. Os resultados da implementação em ASIC amostram que os quatro módulos desenvolvidos atingem a freqüência de operação (125 MHz) definida para o funcionamento completo do comutador. Os resultados de área e potência mostram que o módulo das Filas de saída possui a maior área e consumo de potência. Este módulo representa o 92% da área (115 K portas lógicas equivalentes) e o 70% da potência (542 mW) do “User Data Path”. / This work presents the design, functional verification and synthesis of the functional modules of a Gigabit Ethernet switch. The functions of these modules are defined in the IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q, IEEE 802.3 standards and the following RFCs (Request for Comments): RFC 2697, RFC 2698 and RFC 4115. These modules are part of the functional core of the switch and implement the principal functions of it. In this work four modules are developed and validated. These modules were designed to be inserted in the NetFPGA platform, as part of the “User Data Path”. This platform was developed at Stanford University to enable the fast prototype of networking hardware. The first module called “input arbiter” decides which input port to serve next. This module uses an algorithm Deficit Round Robin (DRR). This algorithm corrects a problem found in the original module developed in the NetFPGA platform. The second module is the classification engine. The main function of the MAC address classification engine is to forward Ethernet frames to their corresponding output ports. To accomplish this task, it stores the source MAC address from frames in a SRAM memory and associates it to one of the input ports. This classification engine uses a hashing scheme that has been proven to be effective in terms of performance and implementation cost. It can search effectively 62.5 million frames per second, which is enough to work at wire-speed rate in a 42-port Gigabit switch. The main challenge was to achieve wire-speed rate during the “learning” process using external SRAM memory. The third module is the frame marker. This module is part of the quality of service mechanism (QoS). With this module is possible to define a maximum transmission rate for each port of the switch. The fourth module (Output Queues) implements the output queues of the switch. This module is part of the NetFPGA platform, but some errors were found and corrected during the verification process. These module were designed using Verilog HDL, targeting the NetFPGA prototype board and an ASIC based on a 180 nm process from TSMC with the Semi-custom methodology based on standard cells. For the functional verification stage is used the SystemVerilog language. A constrained-random stimulus approach is used in a layered-testbench environment with self-checking capability. The results from the functional verification indicate that it was reached a high percentage of functional and code coverage. These indicators evaluate the quality and reliability of the functional verification. The results from the ASIC implementation show that the four modules developed achieve the operation frequency (125 MHz) defined for the overall switch operation. The area and power results demonstrate that the Output Queues module has the largest area and power consumption. This module represents the 92% of area (115 K equivalent logic gates) and the 70% of power (542 mW) from the User Data Path.

Este trabalho apresenta o projeto, a verificação funcional e a síntese dos módulos funcionais de um comutador Gigabit Ethernet. As funções destes módulos encontramse definidas nos padrões IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q, IEEE 802.3 e nos seguintes RFCs (Request for Comments): RFC 2697, RFC 2698 e RFC 4115. Estes módulos formam o núcleo funcional do comutador e implementam as principais funções dele. Neste trabalho quatro módulos são desenvolvidos e validados. Estes módulos foram projetados para serem inseridos na plataforma NetFPGA, formando o chamado “User Data Path”. Esta plataforma foi desenvolvida pela universidade de Stanford para permitir a prototipagem rápida de hardware para redes. O primeiro módulo chamado de “Árbitro de entrada” decide qual das portas de entrada do comutador ele vai atender, para que os quadros que ingressam por essa porta sejam processados. Este módulo utiliza um algoritmo Deficit Round Robin (DRR). Este algoritmo corrige um problema encontrado no módulo original desenvolvido na plataforma NetFPGA. O segundo módulo é o “Pesquisador da porta de saída”. O bloco principal deste módulo é o motor de classificação. A função principal do motor de classificação e aprendizagem de endereços MAC é encaminhar os quadros à suas respectivas portas de saída. Para cumprir esta tarefa, ele armazena o endereço MAC de origem dos quadros em uma memória SRAM e é associado a uma das portas de entrada. Este motor de classificação utiliza um mecanismo de hashing que foi provado que é eficaz em termos de desempenho e custo de implementação. São apresentadas duas propostas para implementar o motor de classificação. Os resultados da segunda proposta permite pesquisar efetivamente 62,5 milhões de quadros por segundo, que é suficiente para trabalhar a uma taxa wire-speed em um comutador Gigabit de 42 portas. O maior desafio foi conseguir a taxa de wire-speed durante o processo de “aprendizagem” usando uma memória SRAM externa. O terceiro módulo é o marcador de quadros. Este módulo faz parte do mecanismo de qualidade de serviço (QoS). Com este módulo é possível definir uma taxa máxima de transferência para cada uma das portas do comutador. O quarto módulo (Output Queues) implementa as filas de saída do comutador. Este módulo faz parte de plataforma NetFPGA, mas alguns erros foram encontrados e corrigidos durante o processo de verificação. Os blocos foram projetados utilizando Verilog HDL e visando as suas implementações em ASIC, baseado em uma tecnologia de 180 nanômetros da TSMC com a metodologia Semi-Custom baseada em standard cells. Para a verificação funcional foi utilizada a linguagem SystemVerilog. Uma abordagem de estímulos aleatórios restritos é utilizada em um ambiente de testbench com capacidade de verificação automática. Os resultados da verificação funcional indicam que foi atingido um alto porcentual de cobertura de código e funcional. Estes indicadores avaliam a qualidade e a confiabilidade da verificação funcional. Os resultados da implementação em ASIC amostram que os quatro módulos desenvolvidos atingem a freqüência de operação (125 MHz) definida para o funcionamento completo do comutador. Os resultados de área e potência mostram que o módulo das Filas de saída possui a maior área e consumo de potência. Este módulo representa o 92% da área (115 K portas lógicas equivalentes) e o 70% da potência (542 mW) do “User Data Path”. / This work presents the design, functional verification and synthesis of the functional modules of a Gigabit Ethernet switch. The functions of these modules are defined in the IEEE 802.1D, IEEE 802.1Q, IEEE 802.3 standards and the following RFCs (Request for Comments): RFC 2697, RFC 2698 and RFC 4115. These modules are part of the functional core of the switch and implement the principal functions of it. In this work four modules are developed and validated. These modules were designed to be inserted in the NetFPGA platform, as part of the “User Data Path”. This platform was developed at Stanford University to enable the fast prototype of networking hardware. The first module called “input arbiter” decides which input port to serve next. This module uses an algorithm Deficit Round Robin (DRR). This algorithm corrects a problem found in the original module developed in the NetFPGA platform. The second module is the classification engine. The main function of the MAC address classification engine is to forward Ethernet frames to their corresponding output ports. To accomplish this task, it stores the source MAC address from frames in a SRAM memory and associates it to one of the input ports. This classification engine uses a hashing scheme that has been proven to be effective in terms of performance and implementation cost. It can search effectively 62.5 million frames per second, which is enough to work at wire-speed rate in a 42-port Gigabit switch. The main challenge was to achieve wire-speed rate during the “learning” process using external SRAM memory. The third module is the frame marker. This module is part of the quality of service mechanism (QoS). With this module is possible to define a maximum transmission rate for each port of the switch. The fourth module (Output Queues) implements the output queues of the switch. This module is part of the NetFPGA platform, but some errors were found and corrected during the verification process. These module were designed using Verilog HDL, targeting the NetFPGA prototype board and an ASIC based on a 180 nm process from TSMC with the Semi-custom methodology based on standard cells. For the functional verification stage is used the SystemVerilog language. A constrained-random stimulus approach is used in a layered-testbench environment with self-checking capability. The results from the functional verification indicate that it was reached a high percentage of functional and code coverage. These indicators evaluate the quality and reliability of the functional verification. The results from the ASIC implementation show that the four modules developed achieve the operation frequency (125 MHz) defined for the overall switch operation. The area and power results demonstrate that the Output Queues module has the largest area and power consumption. This module represents the 92% of area (115 K equivalent logic gates) and the 70% of power (542 mW) from the User Data Path.

A crescente demanda por produtos eletrônicos e a capacidade cada vez maior de integração criaram sistemas extremamente complexos em chips, conhecidos como Systemon-Chip ou SoC. Seguindo em sentido oposto a esta tendência, os prazos (time-to-market) para que estes sistemas sejam construídos vem continuamente sendo reduzidos, obrigando que muito mais funcionalidades sejam implementadas em períodos cada vez menores de tempo. A necessidade de um maior controle de qualidade do produto final demanda a atividade de Verificação Funcional que consiste em utilizar um conjuntos de técnicas para estimular o sistema em busca de falhas. Esta atividade é a extremamente dispendiosa e necessária, consumindo até cerca de 80% do custo final do produto. É neste contexto que se insere este trabalho, propondo uma metodologia de Verificação Funcional chamada IVM que irá fornecer todos os subsídios para garantir a entrega de sistemas de alta qualidade, e ainda atingindo as rígidas restrições temporais impostas pelo mercado. Sendo baseado em metodologias já bastante difundidas e acreditadas, como o OVM e o VeriSC, o IVM definiu uma organização arquitetural e um fluxo de atividades que incorporou as principais características de ambas as abordagens que antes estavam disjuntas. Esta integração de técnicas e conceitos resulta em um fluxo de verificação mais eficiente, permitindo que sistemas atinjam o custo, prazo e qualidade esperados._________________________________________________________________________________________ ABSTRACT: The growing demand for electronic devices and its even higher integration capability created extremely complex systems in chips, known as System-on-Chip or SoC. In a opposite way to this tendency, the time-to-market for these systems be built have been continually reduced, forcing much more functionalities be implemented in even shorten time periods. The final product quality control is assured by the Functional Verification activity that consists in a set of techniques to stimulate a system in order to find bugs. This activity is extremely expensive and necessary, responding to around 80% of final product cost. In this context this work is inserted on, proposing a Functional Verification methodology called IVM that will provide all conditions to deliver high quality systems, while keeping the hard time restrictions imposed by the market. Based in well known and trusted methodologies, as OVM and VeriSC, the IVM defined an architectural organization and an activity flow that incorporates features of both approaches that were separated from each other. This techniques and concepts integration resulted in a more efficient verification flow, allowing systems to meet the desired budget, schedule and quality.