本文是 VSO.ai 系列文章的第一篇（共两篇），主要介绍 VSO.ai 的整体概述、回归优化器（RO）与覆盖率定向求解器（CCEX）的原理及核心指令。第二篇将在此基础上，通过完整 Demo 演示从 Day0 到 Day2 的回归优化实战流程。

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1. 概述

1.1 工具介绍

VSO.ai 是 Synopsys 推出针对验证回归优化的 AI 工具，通过机器学习在短时间内提升覆盖率饱和（saturation）、覆盖率多样性（diversity）、覆盖根因分析（hole RCA），简单的说就是在回归时用更短的时间达到更高的覆盖率。

VSO.ai 主要包含回归优化器 Regression Optimizer（RO，图中1）和覆盖率定向求解器 Coverage Directed Solver（CCEX，图中2AB）两部分，两个功能相对独立。回归优化器工作在仿真外层，基于历史数据，自动选取最佳的 test&seed 调用 VCS 进行仿真。覆盖率求解器工作在仿真内层，查找变量随机到 covergroup 的映射关系，在仿真内部优化随机值。

1.2 环境安装

VCS 从 2022.06 版本开始附带 VSO.ai，也可以独立安装，但要保证 VSO 版本不早于 VCS，否则 VSO 读取不了 VDB。由于 VCS 附带所以其实不需要额外安装，直接在 ~/.bashrc 添加环境变量即可。license 需要 2 个 feature：VT_VSO_GEN、VMS_COVERAGE_EXPLORER_EA。

export CSO_HOME=$VCS_HOME/cso
export PATH=$CSO_HOME/bin:$PATH 

2. 功能一：回归优化器 (RO)

本章介绍回归优化器（Regression Optimizer，又称RO）的原理与使用方法。RO通过分析历史回归数据（Hit Matrix）智能选择最优的测试用例与随机种子组合，在后续迭代中以更少仿真次数达到相同或更高的覆盖率。核心操作包括：准备历史库（dbdir）、编译时开启-vso选项、通过driver --online执行优化仿真，最后生成对比报告。

2.1 核心概念

在开始使用回归优化器之前，理解以下几个关键概念对于后续的操作和结果解读至关重要：

• Hit Matrix (命中矩阵)： 描述哪些测试用例（test）覆盖了哪些覆盖目标（coverpoint、assertion等）的二维矩阵。这是VSO RO进行学习和决策的全部数据基础。Hit Matrix 可以通过vdb2hm指令从 VDB（VCS仿真数据库）文件中提取，也可以使用merge指令将新旧Hit Matrix合并，实现知识的累积。
• dbdir (历史学习库)： 只读目录，用于存储过去积累的Hit Matrix数据。回归优化器基于此目录中的历史知识来指导新的仿真。
• workdir (工作目录)： 本次回归的工作目录，用于存放仿真过程中的中间数据、ask&tell 交互数据以及最终结果。Day0 的 workdir 就是 Day1 的 dbdir。Day0 的 dbdir 可以为空（此时 RO无历史知识）或由之前回归的 VDB 转换而来。
• metric (覆盖率指标)： 覆盖率子项，覆盖率分为功能覆盖率（covergroup、assertion）和代码覆盖率（line、toggle、FSM、condition、branch），RO 支持除 condition、branch 之外的所有 metric。
• online (在线优化)： 这是 RO 的主要工作模式，对应init+online+finalize指令。工具会自行调用VCS进行仿真，并在运行过程中动态调整测试用例和种子，是一个边跑边学习的过程。它包含 Ask-Tell（还需要人参与）和 Wrapper（RO 自动调用 VCS 迭代）两种执行方式。
• offline (离线分析)： 对应train指令。基于 VDB 或 Hit Matrix 静态分析至少哪些 test seed 组合能达到同样或更高覆盖率，进而压缩仿真时间。但因为每次回归设计都会变，上次命中的 seed 不一定对这次有效，所以更多只是做个评估。

2.2 使用方法

Day 迭代过程

基于“ Day ”的概念进行迭代是使用回归优化器的推荐流程。一个“Day”代表一次回归迭代周期，通常可对应一次RTL代码更新或回归批次。Day0 是首次建立学习库的那次回归，DayN 是用学习库优化的第 N 次回归。若验证环境（DUT+TB）发生较大变动，建议重置学习库，重新从 Day0 开始。下面是基于 Day 开展回归迭代的图文流程。

• Day0： 不开优化，传统方法编译仿真，然后将结果 VDB 转换为 dbdir。
• Day1： 开优化，基于 day0 的 dbdir 学习，online 自动完成仿真，将 day0 的 dbdir 和 day1 的 workdir 合并成 day1 的 dbdir。
• Day2： 开优化，基于 day1 的 dbdir 学习，online 自动完成仿真，…

基本工作流

这里可以简要了解，下篇文章会给一个实践流程示例详细描述完整过程。

a）数据准备： 准备 dbdir（历史库）和配置文件（告知VSO如何调用VCS）。
b）编译： 使用带-vso选项的VCS命令进行编译。
c）初始化： 执行driver --init，指定工作目录、历史库和配置文件。
d）优化回归： 执行driver --online，通过 wrapper 或 ask/tell 交互模式执行仿真。
e）报告： 执行driver --report生成优化结果报告。

2.3 关键指令

所有VSO指令均通过$(CSO_HOME)/bin/driver工具执行，下面分别介绍

编译仿真
编译仿真还是使用 VCS 原有指令，只不过需要加上-vso cso -vso_opts后缀。考虑仿真可能包含多个 build 环境，指定 buildname 名称便于区分。

vcs -vso cso -vso_opts buildname=<unique_buildname>  
simv -vso cso -vso_opts testname=<testname> [-vso_opts buildname=<unique_buildname>]

VDB 转 Hit Matrix
–vdb2hm 指令可以基于仿真结果的 VDB 文件生成 Hit Matrix，--vdbdir/--vdbdirlist分别用于指定1个或多个 VDB 目录，即输入；--workdir指定工作目录，即输出；--nprocesses指定处理器核数，用于并行转换；--sub qsub用于集群 job 提交，首先要看服务器是不是组的集群，单机不需要考虑。

$(CSO_HOME)/bin/driver --vdb2hm --workdir <vso_dbdir> \
    --vdbdirlist <vdbs_list> \  
	[or --vdbdir <vdb_dir>] \  
	[--nprocesses N]\  
	[--sub qsub|bsub --grid_opts \  
	<LSF or SGE Grid_Options>]

online 仿真
online 优化回归包含 Ask-Tell 和 Wrapper 两种模式，指令分别如下。

# 先ask
$(CSO_HOME)/bin/driver --ask [N] \
    [--workdir <vso_workdir>] 
# 然后依据ask给的信息进行仿真，就是常规仿真不是vso指令这里就不放了
# 然后tell说仿完了
$(CSO_HOME)/bin/driver --tell <RUN_ID> \
    [--workdir <vso_workdir>]

# 相当于常规仿真前面加了个前缀
$(CSO_HOME)/bin/driver  --online --workdir <vso_workdir> \
    <user_simv>
    <other_simv_options>

Hit Matrix 合并
新的回归结果和旧学习库合并生成新学习库，--workdirs指示输入目录，--workdir指示输出目录。

$(CSO_HOME)/bin/driver --merge \
--workdirs <vso_workdir>,<vso_dbdir> \  
--nprocesses 8 \  
--workdir <merged_vso_dbdir>

此外还有一些 merge 选项，run 的数量可以选取平均（默认）或最后一次；合并时可以选择保留所有（默认）或参考 hit。

--merge_policy[average|latest]
--merge_type [union|ref]

其他后缀
a) --target_metric
通过--target_metric指定具体优化哪些 metric，其中def指模块覆盖，inst指这个模块所有实例化的覆盖。

--target_metric {group.inst, group.def, assert.inst, asssert.def, line.inst, line.def, fsm.inst, fsm.def, tgl.inst, tgl.def}

b) --tgl/–fsm
toggle 可以配置只统计端口或所有信号。fsm 可以配置统计状态、状态间转换或两者都统计

--tgl <all|portsonly>
--fsm <state|transition|state+transition>

c) 仿真次数
online 初始化的时候可以指定最多仿真次数、达成参考覆盖率后立即停止仿真、每个 test 最少/最多跑多少次。

$(CSO_HOME)/bin/driver --init --workdir ... --dbdir ... --regr_config ... \
    --max_runs 50 \
    --exit_after_targets_met \
    --min_runs_per_test 2 --max_runs_per_test 10 \

online 初始化时会指定 yaml 配置文件，也可以在配置文件中指定。

tests:
    - name: test_2m_4s  build: bld1 arguments:... min_count: 3 max_count: 20   

3. 功能二：覆盖率定向求解器 (CCEX)

本章介绍覆盖率定向求解器（Coverage Directed Solver, 又称CCEX）的工作原理与使用方式。与RO在外层调度测试不同，CCEX在单次仿真内部工作，通过建立随机变量与覆盖目标的连接关系，引导求解器优先命中未覆盖的corner bin。关键操作为：编译时开启连接分析（-vso ccex -ccex_opts connect_report），仿真时按需选择单跑、并行共享或复用历史VDB三种模式，并可开启RCA分析未命中原因。

3.1 基本原理

传统约束求解器是“随机”的，容易导致高频覆盖点被反复命中，而低频覆盖点很难触及。CCEX通过以下两步解决此问题：

• 连接分析： 在编译时扫描代码，分析哪些 covergroup 的 coverpoint 受哪些随机变量和约束的影响，建立连接关系图谱。
• 定向偏置： 在仿真运行时，实时查询覆盖率状态，针对尚未命中的bin，利用连接关系图谱，智能地偏置求解器的求解方向。

CCEX的提升效果只作用于 coverpoint 和 cross 覆盖指标。它不仅能提高收敛速度，还能提供根因分析（RCA），解释某些 bin 难以命中的原因（如约束冲突、状态变量限制、采样条件未触发等）。

3.2 使用场景

按照使用场景可以分为 3 个情况：单个仿真偏、并行仿真偏和复用历史仿真结果偏。merged_vdb_dir仿真还可以回放，用于复现和调试问题。

模式	命令	效果
仿真内偏置（默认）	simv -vso ccex	单个仿真内部：边跑边看自己已覆盖什么，往未覆盖方向偏
仿真间学习	simv -vso ccex -ccex_opts merged_vdb_dir=<路径>	多个并行仿真共享合并后的覆盖率状态，大家一起专攻共同未覆盖的
外部合并库	simv -vso ccex -ccex_opts vdb_dir=<路径>	有外部 VDB 合并机制，直接喂给它

仿真结果同时包括根因分析（RCA），也就是这个 bin 为什么打不中。手册中也说 RCA 只是尽力分析，即连接关系建立不成功的时候也可能会给不出答案。

类型	定义	描述
UNSAT	约束把 bin 挡住了	约束条件之间互相矛盾/限制太死，求解器根本生成不出能命中该 bin 的取值
UNSAT FOR STATE VAR	变量不可变	bin 受状态变量控制，而这个状态变量在设计中变不到你要的值
NOT SAMPLED	采样没发生	covergroup 压根没被触发（比如对应功能路径没跑到）

3.3 关键指令

编译仿真

编译时开启 CCEX 链接检查，并输出报告，连接结果在同目录 ccex_summary.json 文件。

vcs -vso ccex -ccex_opts connect_report=<报告路径> <compile_options>

仿真时可以单独跑、可以多任务合并也可以使用外部合并 VDB。这里说一下多任务合并，merged_vdb_dir是公用的 VDB 文件，仿真结束会出现 3 个 VDB，个人理解多的这个 merge VDB 属于中间过程，合并结果还是使用编译+仿真 VDB。

simv -vso ccex <other_runtime_options>
simv -vso ccex -ccex_opts merged_vdb_dir=<VDB目录> <其他选项>
simv -vso ccex -ccex_opts vdb_dir=<VDB目录>

回放

回放时，重放参数必须与原跑完全一致。

simv <原始全部参数> -vso ccex -ccex_opts replay  
simv <原始全部参数> -vso ccex -ccex_opts replay_cm_dir=<原cm_dir> -ccex_opts replay_cm_name=<原cm_name>

RCA

可以选择进行 RCA 分析，分析不能命中 bin 原因。

simv -vso ccex -ccex_opts rca <其他运行时选项>

生成报告

urg 会有新增章节说明 CCEX 结果。

urg -ccex -dir simv.vdb <其他URG选项>      # 生成含 CCEX 页的报告
urg -ccex -show_ccex_details -dir simv.vdb # 显示更多细节（可跳源码/随机化位置）