End-to-End Driver + RTL Co-simulation — 실전 통합 흐름

마지막 장입니다. 지금까지 다룬 Verilator·DPI-C·CocoTB·BFM·reference model을 하나의 환경으로 묶어 봅니다. 실제 NPU prototype을 검증한다고 가정한 통합 청사진과 CI 파이프라인까지 그립니다. 시리즈 8장의 어휘를 모두 한 번에 쓰는 셈입니다.

#목표 시나리오

가상의 NPU “Aristos-1”을 검증합니다. 다음 요건:

• AXI4 인터페이스 1개(control 32-bit)·AXI4 인터페이스 1개(data 256-bit DMA)
• IRQ line 4개(done·error·queue-empty·perf-counter overflow)
• Linux driver는 진짜 .ko로 빌드 가능한 코드
• pre-silicon에 다음을 모두 검증해야 함:
  • register read/write 인코딩
  • DMA descriptor ring 한 바퀴
  • IRQ delivery + ISR 분기
  • matmul reference 일치 (UVM C reference)
  • 30분 stress test
  • GitHub Actions에서 매 push마다 smoke

이 요건을 5분짜리 smoke + 1시간짜리 nightly로 분리해 cosim 환경에 태우는 게 목표입니다.

#아키텍처 한 장

요지: 하나의 프로세스 안에 driver·RTL·BFM·reference가 모두 들어 있고, pytest가 시나리오를 흘립니다.

#Step 1 — RTL → Verilator

1
verilator --cc --exe --trace-fst \
2
    -I rtl \
3
    rtl/aristos1.sv rtl/axi_master_bfm.sv rtl/axi_slave_bfm.sv \
4
    sim/main.cpp sim/driver_harness.c \
5
    src/driver/aristos1_driver.c src/algo/matmul_ref.c \
6
    -CFLAGS "-O2 -Isrc -DCOSIM_BUILD" \
7
    --top-module aristos1_tb
8
make -j -C obj_dir -f Varistos1_tb.mk Varistos1_tb

핵심 옵션:

• --trace-fst: 실패 시 dump 보존, CI artifact용
• -CFLAGS -DCOSIM_BUILD: driver 코드 안에서 kernel header가 아닌 cosim shim header를 include하도록 분기
• --top-module aristos1_tb: testbench wrapper(BFM 묶음)

#Step 2 — Driver를 cosim-buildable로

Linux driver를 그대로 가져와 cosim에서 컴파일하려면 Linux kernel API의 일부를 shim해 줘야 합니다.

1
// cosim_shim.h — kernel header 대신
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#ifdef COSIM_BUILD
3
  #include <stdint.h>
4
  #include <stdio.h>
5
  #include <stdlib.h>
6
  #include <string.h>
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8
  static inline uint32_t readl(volatile void *addr) {
9
    extern void bfm_read(int addr, int *data);
10
    int v; bfm_read((int)(intptr_t)addr, &v);
11
    return (uint32_t)v;
12
  }
13
  static inline void writel(uint32_t val, volatile void *addr) {
14
    extern void bfm_write(int addr, int data);
15
    bfm_write((int)(intptr_t)addr, (int)val);
16
  }
17

18
  #define dev_info(d, fmt, ...)  printf("[driver] " fmt, ##__VA_ARGS__)
19
  #define dev_err(d, fmt, ...)   fprintf(stderr, "[driver] " fmt, ##__VA_ARGS__)
20
  // dma_map_single, kmalloc, ... 등도 shim
21
#else
22
  #include <linux/io.h>
23
  #include <linux/device.h>
24
#endif

driver 본체는 cosim_shim.h를 통해 빌드되면 cosim용, kernel에서 빌드되면 원래의 .ko로 컴파일됩니다. 같은 source.

#Step 3 — IRQ injection

RTL의 irq pin을 driver의 ISR에 직접 연결하는 thread.

1
#include "Varistos1_tb.h"
2
#include <thread>
3
#include <atomic>
4

5
extern "C" void aristos1_isr(int vector);  // driver의 ISR
6
std::atomic<bool> sim_running{true};
7
Varistos1_tb *dut;
8

9
void irq_thread() {
10
  uint8_t prev = 0;
11
  while (sim_running.load()) {
12
    uint8_t cur = dut->irq;
13
    if (cur && !prev) {
14
      // rising edge → 가장 낮은 set bit를 vector로
15
      for (int i = 0; i < 4; i++) {
16
        if (cur & (1 << i)) aristos1_isr(i);
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      }
18
    }
19
    prev = cur;
20
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(10));
21
  }
22
}
23

24
int main(int argc, char **argv) {
25
  Verilated::commandArgs(argc, argv);
26
  dut = new Varistos1_tb();
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  std::thread t(irq_thread);
29

30
  // pytest로부터 시나리오 신호 받기
31
  // ... (구현 생략)
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  sim_running.store(false);
34
  t.join();
35
  delete dut;
36
}

driver의 ISR이 우리가 띄운 thread에서 호출됩니다. driver 코드는 자신이 진짜 IRQ를 받고 있다고 가정해도 동작합니다.

#Step 4 — Pytest 시나리오

1
import pytest
2
import ctypes
3

4
driver = ctypes.CDLL("./obj_dir/Varistos1_tb")
5
driver.cosim_probe.restype = ctypes.c_int
6

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@pytest.fixture(scope="module")
8
def dut():
9
    rc = driver.cosim_probe()
10
    assert rc == 0
11
    yield
12
    driver.cosim_remove()
13

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class TestSmoke:
15
    def test_register_id(self, dut):
16
        val = driver.cosim_read_id()
17
        assert val == 0xA1A1A101
18

19
    def test_simple_matmul(self, dut):
20
        rc = driver.cosim_run_matmul_2x2()
21
        assert rc == 0
22

23
class TestStress:
24
    @pytest.mark.slow
25
    def test_dma_throughput_30min(self, dut):
26
        rc = driver.cosim_dma_loop(seconds=1800)
27
        assert rc == 0

1
pytest -v test_aristos1.py -m "not slow"        # smoke
2
pytest -v test_aristos1.py -m slow              # nightly

mark로 빠른 test와 느린 test가 같은 코드 베이스에서 분리됩니다.

#Step 5 — CI 파이프라인

1
name: cosim
2
on:
3
  push: { branches: [main, develop, "feat/**"] }
4
  pull_request: { branches: [main] }
5
  schedule:
6
    - cron: "0 18 * * *"   # nightly 03:00 KST
7

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jobs:
9
  smoke:
10
    runs-on: ubuntu-latest
11
    timeout-minutes: 15
12
    steps:
13
      - uses: actions/checkout@v4
14
      - name: Install
15
        run: sudo apt-get update && sudo apt-get install -y verilator python3-pip
16
      - name: pip
17
        run: pip install cocotb cocotbext-axi pytest
18
      - name: Build
19
        run: ./scripts/build_cosim.sh
20
      - name: Smoke
21
        run: pytest -v test_aristos1.py -m "not slow"
22
      - name: Upload waves on failure
23
        if: failure()
24
        uses: actions/upload-artifact@v4
25
        with:
26
          name: waves
27
          path: '*.fst'
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29
  nightly:
30
    if: github.event_name == 'schedule'
31
    runs-on: ubuntu-latest-4-cores   # 더 큰 runner
32
    timeout-minutes: 120
33
    steps:
34
      - uses: actions/checkout@v4
35
      - name: Install ...
36
      - name: Build ...
37
      - name: Nightly
38
        run: pytest -v test_aristos1.py -m slow
39
      - name: Coverage report
40
        run: ./scripts/cov_report.sh
41
      - name: Upload coverage
42
        uses: actions/upload-artifact@v4
43
        with: { name: coverage, path: coverage.xml }

이로써 PR마다 smoke가, 매일 밤 stress가 자동으로 돕니다. 실패하면 waveform이 artifact로 남아 그 다음 날 아침 분석 가능.

#Performance — cycle-accurate cosim의 속도

cosim의 근본 제약은 RTL이 cycle-accurate라는 점입니다. 대략 다음 정도의 throughput:

이로부터 어떤 시나리오를 cosim에 두고 어떤 시나리오를 다른 도구로 보내야 하는지가 결정됩니다.

cosim은 특정 깊이의 검증에 최적입니다. 그 깊이 안에서는 다른 도구가 못 따라옵니다.

#시리즈 마무리

8장을 돌아보면.

8장이 끝났을 때 머릿속에 남아야 할 것은 조립 사고입니다. cosim은 단일 도구가 아니라 Verilator + DPI-C + driver + BFM + reference + pytest + CI의 조립체입니다. 어느 부품이 빠지면 다른 부품으로 메우거나(예: Verilator 대신 Icarus, BFM 대신 SV task), 비용이 부족하면 축소(예: SystemC VP는 나중에)할 수 있습니다.

NPU·chiplet·SoC가 가는 길에서 pre-silicon driver 검증은 더 이상 옵션이 아닙니다. 이 시리즈가 그 길의 어휘를 빌려 드리는 글이 되었으면 합니다.

#정리

• 통합 cosim 청사진: Verilator(RTL → C++ 클래스) + Linux driver shim + DPI-C BFM + reference model + pytest + CI.
• driver는 cosim_shim.h로 동일 source가 .ko와 cosim binary 양쪽으로 빌드되게 함.
• IRQ injection은 별도 thread에서 dut->irq rising edge를 polling. driver ISR을 직접 호출.
• pytest mark로 smoke(PR마다)·nightly(stress) 분리. waveform은 실패 시 artifact.
• Cycle-accurate 한계: 작은 RTL에서 200k cycle/s, 큰 RTL에서 10k 미만. stress·boot은 다른 도구로.
• 시리즈가 가르치는 것은 조립 사고: 8개 어휘를 상황에 맞게 결합.
• pre-silicon driver 검증은 NPU/chiplet/SoC의 표준 작업.

#다음 장 예고

시리즈 마무리입니다. 더 깊이 들어가고 싶다면 다음 자료가 자연스러운 다음 단계입니다.

• Verilator 공식 manual의 multithreading·DPI scoping
• SystemVerilog for Verification (Spear) — UVM 학습용
• OpenTitan/Chipyard 저장소의 cosim 디렉터리 — 실제 산업 예제

#관련 항목

• Ch 7: UVM C Reference Model
• Ch 1: Why Pre-Silicon Driver Verification — 시리즈 다시 보기
• QEMU Fake Device — Test Automation
• FPGA Driver via QEMU+VFIO — VFIO Basics — post-cosim 단계
• Embedded Performance Engineering — Methodology