Formal算法基础知识学习笔记

通常，我们会将spec和设计实现进行比较。Spec相对来说比较抽象些，可以是些SVA的assertion，RTL model或者一些HVL，比如systemc等。而implemenation通常是RTL代码或者网表。

图1是一个简单的checker，A和B分别表示两种spec，它们接收相同的输入(Input)，checker比较二者的输出是否相等。如果找到一个输入序列导致输出比较失败，就是找个了一个反例（CounterExample）,工具会将此反例，包括相应的输入记录下来，呈现出来。这个checker其实是个黑盒（Black box），因为我们无法观察A和B内部的状态或者信号（白盒White box则可以）。

图1 simple checker

如果A和B足够简单，那我们可以测到所有可能的情形，或者用Formal Verification来判定二者完全等价。同时，我们也可以借助这个等价来简化一些复杂的的问题，例如图2所示，一个更加复杂的系统，里面包含了A和B。

在这个例子中，因为我们先前已经证明了A等价于B，我们可以做下简化操作，把A和B从系统中拿掉，简化成C和D的比较，如图3所示。当然，C和D的输入(Inputs’) 与原始的输入(Input)已经有了很大的差别。这种divide and conquer 策略在FV中经常使用，主要用来简化分析大的design。

我们可以把上下方框想象成Spec和Implementation，这样的比较输入和输入我们可以判定implementation与spec是等价的，设计符合我们的要求。这个一个典型的formal equivalence verification (FEV) 。不过，通常Spec和Implementation不会出现这种理想的等价情况。

CONES OF INFLUENCE

如果我们把一些把相干的逻辑分别考量，验证复杂度能大大简化。比如，我们有个硬件，实现加法和乘法运算；在跑simulation的时候，我们可能造不同case侧重不同的点，有点测加法，有的测乘法。如果我们加法和乘法拆分出来，单独验，效率定能大幅提升，但在simulation里面不太现实，因为这需要造几套验证环境。

FV则能比较好的支持这种拆分，FV工具读取property，将设计里面一些与当前property不相关的逻辑移移除掉。这个叫cone of influence 简化。如图4所示，我们只考量_result_ 输出的时候，很多逻辑对这个输出没影响，我们可以把它们简化掉。如果design特别大的话，这种可以极大的简化复杂度。

FV工具也可以支持用户自定义的简化，而非自动简化。例如有个输入，我们可以绑定成某个固定的值。这样逻辑也能大大简化。

BDD

BDD(binary decision tree)，顾名思义，用树形结果来表示电路的逻辑。如果去观察一些电路的真值表如图5，会发现有很多redundancy，很多行都是0。BDD可以表示相同设计的同时，移除一些冗余的逻辑。BDD是一种范式（canonical ），等价设计的BDD是一样的；如果两个电路的BDD一样，那么可以判定二者等价。BDD算法是第一代Formal 工具常用的算法。

我们以一个MUX为例来说明BDD，如图6所示，一个MUX逻辑的BDD算法， xyz为输入，最下面一行为输出。类似于红黑树，每一个分支左侧代表下一输入变量为0，右侧代表输入为1.

我们把输出为0和1的做下merge，如图7所示。

进一步观察，左侧两个z，无论取值如何，输出都是一样，说明父节点y不影响结果。同理，对于观察右侧，z节点多余。于是，我们可以进一步简化成图8这样的。

当然，如果选择变量的顺序不一样，我们得到的BDD的大小会有所不同。如果我们选择z->x->y的顺序的，我们将得到图9这样的BDD。对于一些大的design来说，如果顺序选择不当，可能导致指数爆炸。通常用Heuristic-based 算法来寻找最佳的变量顺序。比如根据电路的拓扑结构来，根据变量的相关性来映射。另一种方法是尝试将每一个输入变量替换0或者1，看看哪个精简的程度更大些。

对于大而复杂的设计来说，提取BDD仍然是一件很艰难的工作，或许随着输入的增加而指数级增长。

COMPUTING A BDD FOR A CIRCUIT DESIGN

如果我们有真值表，我们可以很快速的提取出BDD。但大部分电路，我们没那么容易算出真值表，尤其对RTL而言。庆幸的是，我们将根据基本的逻辑（与、或、非）的BDD组合起来，算出更大设计的BDD。

基本的与或非逻辑的BDD，参见图10所示。

例如，我们以 (x&&y)||z 为例，电路如图11所示。将这些基本门电路组合在一起，就是这个电路的BDD，参见图12.

MODEL CHECKING

Model checking 是FV工具分析一段时间内时序逻辑的主要方法。给定properties ，model-checking 会去搜索可能的未来状态，然后判定是否违反这些property。

首先创建初始状态的BDD，然后根据相应的逻辑推导出下一个状态的BDD，不断重复这个过程（reachability ），直到所有的状态都加进来。如果遇到vilation，FV会倒推回去，给出一个反例。

model checker 可能出出现三种情形：

设计符合spec
有violation，并给出反例
逻辑爆炸，无法证明；只能推测N个cycle没有violation

BOOLEAN SATISFIABILITY

BOOLEAN SATISFIABILITY，即SAT，它可以更快的举出反例。

假设我们有这样的spec和implemenation：

implementation =  !(!a&&c || a&&!b)
requirement = !a&&!c || b&c

即：

!(!a&&c || a&&!b) -> !a&&!c || b&c

p -> q 等价于 !p || q

(!a&&c || a&&!b) || (!a&&!c || b&&c)

SOLVING THE SAT PROBLEM

对于很多表达式，证明其成立可能比较困难，但找反例则会简单的多。如果我们写成AND形式，那只需要有一项为0，则表达式为0.

**Conjunctive normal form (CNF) **表达式是写成||形式，各个item或在一起，也称作product-of-sums 。可以将AND类比成乘法，OR类比成加法。比如下式就是个CNF：

(a||b||!d)&&(!b||c)&&(a||c)

所有的bool逻辑都可以表达成CNF形式。

我们一个或门为例，输入为a,b，输出为c。它的基本逻辑是：

a -> c
b -> c
!(a||b) -> !c

改写一下：

(!a||c)&&(!b||c)&&(a||b||!c)

我们建立一个真值表，把输入一个个赋值进去，看看是否成立。比如a=0, b= 0, c = 0。但如果变量比较的多的话，算法会指数爆炸。

THE DAVIS-PUTNAM SAT ALGORITHM

一个个枚举显然不太合理，一个简单的思路是先考虑一个变量，这样就拆分成两个子问题：一个a=0和一个a=1的情形。不断重复这个过程，直到证明或者有违规。

SATDivide&Conquer(formula)

If the formula evaluates to 1
    {Return Success!}
If the formula evaluates to 0,
    {Return Failure, hope another assignment works.}
Else
{split the problem on some variable, v.
    SATDivide&Conquer (formula replacing v with 0)
    SATDivide&Conquer (formula replacing v with 1)
}