【AI速读】突破形式验证的极限：数据包协议验证实战指南

引言：当形式验证遇上数据包协议

传统的形式验证（Formal Verification）在控制逻辑和接口协议验证中表现出色，但面对数据路径时却常被认为"不可能"。原因很简单：一个以太网巨型帧（jumbo frame）可能携带超过9000字节的数据，其潜在状态空间高达(2^72288)种组合，直接验证如同大海捞针。

但问题核心并非数据本身，而是控制逻辑的可靠性。例如：数据包解析是否正确？协议字段是否合法？如果绕开"无意义"的随机数据，仅关注关键控制字段，状态空间将大幅缩减。本文将以CAN总线协议为例，拆解如何通过七步法，让形式验证轻松应对复杂数据包协议。

一、拆解数据包：以小搏大的关键

数据包协议的核心是结构化字段。以CAN总线帧为例，其结构包含：

起始帧（SOF）：1位
仲裁段（Arbitration）：11位ID + 控制位
数据段（Data）：0-8字节
CRC校验：15位
确认段（ACK）等

虽然数据段可能长达64位，但其内容对协议逻辑无影响，可直接交给形式工具随机填充。真正需要约束的是固定格式字段（如ID、CRC）。通过将数据包拆分为8位或16位的结构体（struct），状态空间从指数级爆炸降至可控范围。

代码示例：定义CAN帧结构体

go 复制代码

typedef struct packed {  
    bit [10:3] id_high;  
    bit [2:0]  id_low;  
    bit        rtr;  
} arbitration_t;

二、建模控制逻辑：从握手信号到状态机

数据包的传输依赖控制信号（如Start-of-Frame, End-of-Frame）。以CAN总线为例，虽然没有显式握手信号，但可通过建模实现类似逻辑：

go 复制代码

bit in_progress; // 传输进行中标志  
always @(posedge clk) begin  
    if (rst) in_progress <= 0;  
    else if (pkt_eof) in_progress <= 0;  
    else if (pkt_sof) in_progress <= 1;  
end

通过约束pkt_sof和pkt_eof的时序关系，确保形式工具生成的波形符合协议要求。例如：

go 复制代码

// 假设：传输开始时，valid信号持续到结束  
assume property (pkt_sof |-> pkt_valid throughout (##[1:$] pkt_eof));

三、约束定义：精准控制合法值

每个字段的合法值需通过断言（assertion）和假设（assumption）约束。例如，CAN的仲裁段ID为11位，但实际应用中可能只有少数几个有效值（如0x123、0x456）。通过约束ID范围，进一步缩小搜索空间。

go 复制代码

// 约束ID为预定义的几个值  
bit [10:0] valid_ids[] = '{11'h123, 11'h456};  
assume property (arbitration.id inside {valid_ids});  

// 约束CRC校验计算  
assume property (crc == calculate_crc(packet_data));

技巧：将数据段设为"自由变量"（free variable），允许形式工具自由填充，避免无效计算。

四、驱动逻辑：从结构体到比特流

数据包的发送需要将结构体转换为比特流，并处理协议细节（如CAN的位填充）。核心是通过指针遍历结构体数组，逐比特驱动输出：

go 复制代码

bit [3:0] p;  // 数据包结构体索引  
bit [2:0] n;  // 当前结构体的比特位置  
always @(posedge clk) begin  
    if (pkt_valid) begin  
        tx_out <= packet[p].qbits[n];  
        if (n == 0) begin  
            p <= p + 1;  
            n <= 7; // 重置为下一个结构体的最高位  
        end else begin  
            n <= n - 1;  
        end  
    end  
end

注意：位填充逻辑需额外处理连续5个相同比特，此处可借助计数器实现。

五、结果验证：从覆盖点到反例挖掘

形式验证的核心目标是证明协议逻辑的完备性。通过定义覆盖点（cover property）和断言（assert），可同时验证合法包和非法包的处理：

go 复制代码

// 覆盖合法包的完整传输  
cover property (pkt_sof ##1 pkt_valid[*] ##1 pkt_eof);  

// 断言：非法包必须触发错误标志  
assert property (  
    illegal_packet |-> ##[1:10] error_flag  
);

实际案例中，作者曾用此方法验证以太网巨型帧解析器，仅需3-6分钟即可生成完整覆盖，无需编写海量测试用例。

六、经验总结：七步法实战口诀

控制逻辑建模------明确握手信号与状态机。
结构体拆分------8/16位分段，化整为零。
字段约束------合法值、CRC计算一个不漏。
约束应用------用假设（assume）绑定结构体。
驱动实现------比特流转换与协议细节处理。
数据包生成------自由变量+合法约束双管齐下。
断言覆盖------合法/非法包两手抓。

结语：让"不可能"成为可能

形式验证并非万能，但在数据包协议验证中，通过结构化拆解和精准约束，可大幅降低复杂度。无论是CAN总线还是以太网，关键在于聚焦控制逻辑，放过随机数据。这种方法不仅节省数月测试开发时间，还能捕获传统仿真难以触达的极端场景。

正如作者在文中所说："没有不可能，只有未尝试。" ------ 或许，下一次当你面对海量数据路径时，形式验证会成为你的秘密武器。

参考文章:

Doing the Impossible:

Using Formal Verification on

Packet Based Data Paths

「数字芯片设计【不定期更新文件】」链接：https://pan.quark.cn/s/27331927a18e