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FPGA到底是啥?如何做好FPGA質(zhì)量控制與測試?

更新時(shí)間:2024-02-26  |  點(diǎn)擊率:287
  FPGA質(zhì)量控制與測試
 
  隨著(zhù)數字化、智能化裝備的爆發(fā)式發(fā)展,具備更高可靠性、更高集成性的FPGA產(chǎn)品,依靠自身的自定義編程設計、可重復性修訂等特性,成功取代了傳統堆疊化電子元器件設計方式,應用到裝備的設計中去。未來(lái)電子信息領(lǐng)域,硬件裝備軟件化設計趨勢已不可逆轉??梢哉f(shuō),只要存在硬件,就必然有FPGA的身影。本期“專(zhuān)家訪(fǎng)談”欄目,邀請廣電計量軟件測試技術(shù)副總監齊躍,深度解析FPGA質(zhì)量控制與測試,助力企業(yè)提升FPGA測試效率和設計質(zhì)量。
 
  ▍FPGA軟件的主要應用領(lǐng)域有哪些?
 
  FPGA,全稱(chēng)Field-Programmable Gate Array,翻譯成中文即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列。它是一種主要以數字電路為主的集成芯片,屬于可編程器件中的一種。FPGA作為ASIC(專(zhuān)用集成電路)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現,具有無(wú)限次重新編程的能力,通過(guò)對預制的門(mén)電路、觸發(fā)器和可編程布線(xiàn)資源重新配置,可以實(shí)現任意的邏輯功能,大大提高了集成電路的靈活性,既解決了定制電路缺乏靈活性的不足,又克服了原有可編程器件門(mén)電路數容量過(guò)小的缺點(diǎn)。
 
  因此,FPGA的應用方向非常廣泛,按照應用領(lǐng)域來(lái)看,FPGA在高速通信、數據處理、工業(yè)控制、特殊裝備和航空航天等眾多領(lǐng)域都已經(jīng)得到了廣泛的應用。
 
  為什么對FPGA軟件進(jìn)行測評?
 
  根據有關(guān)單位某產(chǎn)品試驗鑒定工作要求中提出,“FPGA應列入軟件清單進(jìn)行管理,列入軟件測試要求考核范圍,關(guān)鍵或重要FPGA要針對性開(kāi)展代碼規則檢查、功能仿真、時(shí)序驗證等測試”。所以根據上述文件要求所有設備中的FPGA軟件都要進(jìn)行內部測試/第三方測評/鑒定測評。
 
  FPGA軟件測試面臨哪些挑戰?
 
  FPGA軟件包含進(jìn)行設計而產(chǎn)生的程序、文檔和數據,同時(shí)包含與之相關(guān)的軟件特性和硬件特性。FPGA軟件測試需要考慮軟件代碼正確性、軟硬件接口協(xié)調性、時(shí)序性等方面的全面覆蓋。FPGA能夠穩定、可靠地工作,不但功能需滿(mǎn)足要求,時(shí)序指標、安全性指標等均需滿(mǎn)足要求。
 
  不同的FPGA芯片廠(chǎng)商、不同的運行電壓和溫度情況下,FPGA的時(shí)序會(huì )有很大不同,經(jīng)常造成FPGA執行時(shí)出現錯誤。因此,FPGA測試需要在驗證FPGA軟件特性的同時(shí),驗證FPGA芯片硬件特性、電壓與溫度對時(shí)序的影響等環(huán)境特性是否滿(mǎn)足要求。因此,FPGA軟件測試包含對FPGA軟件特性、硬件特性及環(huán)境特性測試。
 
  FPGA軟件測試的內容及流程有哪些?
 
  FPGA開(kāi)發(fā)流程復雜,從前端設計代碼到最后生成配置位流文件,均有可能引入設計缺陷。因此,在安全關(guān)鍵領(lǐng)域,FPGA軟件的獨立測評流程涵蓋由RTL代碼生成位流文件的各關(guān)鍵節點(diǎn),從不同層次采用多種方法對軟件功能、接口、時(shí)序、和性能進(jìn)行確認。
 
  主要測試方法有:編碼規則檢查、跨時(shí)鐘檢查、功能仿真、門(mén)級仿真、時(shí)序仿真、功耗分析、邏輯等效性檢查等。測試過(guò)程主要包括:
 
  1.首先根據軟件需求進(jìn)行測試需求分析,確保測試100%覆蓋軟件需求。
 
  2.針對RTL級代碼進(jìn)行編碼規則檢查及功能仿真測試,驗證FPGA前端設計的正確性。
 
  3.針對邏輯綜合后的門(mén)級網(wǎng)表文件進(jìn)行邏輯等效性測試,驗證邏輯綜合的可靠性、一致性。
 
  4.針對布局布線(xiàn)后的布線(xiàn)網(wǎng)表進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析及時(shí)序仿真測試,驗證FPGA后端設計時(shí)序路徑是否收斂。
 
  5.針對燒寫(xiě)下載后的目標設備開(kāi)展板級實(shí)物測試,驗證FPGA整機設備功能實(shí)現正確性。
 
  6.使用專(zhuān)業(yè)工具對FPGA前端硬件描述設計與后端時(shí)序電路邏輯一致性進(jìn)行檢查。
 
  如何提高FPGA測試的效率和準確性?
 
  1.采用自動(dòng)化測試工具:自動(dòng)化測試工具可以大幅提高測試效率,減少人為誤差。
 
  2.優(yōu)化測試策略:根據FPGA的具體應用場(chǎng)景和規格要求,制定針對性的測試策略,以提高測試的有效性和準確性。
 
  3.強化在板測試:在板測試可以更好地模擬實(shí)際工作情況,有助于發(fā)現潛在問(wèn)題。
 
  4.強化可靠性評估:通過(guò)改進(jìn)加速老化試驗方法、引入更多實(shí)際工作場(chǎng)景下的應力因子等方式,提高可靠性評估的準確性。
 
  5.強化仿真測試:采用更精確的仿真模型和更全面的場(chǎng)景覆蓋,提高仿真測試的有效性。
 
  如何提高FPGA軟件設計質(zhì)量和可靠性?
 
  FPGA質(zhì)量提升是一個(gè)涵蓋設計、驗證、實(shí)施和測試全過(guò)程的系統工程,下面將詳細介紹幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節:
 
  1. 設計階段的質(zhì)量保證
 
  模塊化設計:采用模塊化的設計方法有助于提高代碼可讀性與重用性,并簡(jiǎn)化后期維護。每個(gè)模塊應有明確的功能定義,遵循良好的設計原則。
 
  資源優(yōu)化:根據具體應用需求合理分配邏輯資源、內存資源以及布線(xiàn)資源,通過(guò)算法優(yōu)化和架構選擇來(lái)降低功耗并提升性能。
 
  RTL設計規范:遵循行業(yè)標準和最佳實(shí)踐編寫(xiě)HDL代碼,確保代碼風(fēng)格一致且易于綜合工具理解,避免潛在的時(shí)序問(wèn)題。
 
  2. 驗證流程強化
 
  功能仿真:在早期階段進(jìn)行詳盡的功能仿真驗證,確保設計滿(mǎn)足規格要求,并覆蓋所有可能的狀態(tài)和邊界條件。
 
  形式驗證:利用形式化方法驗證設計正確性,包括等價(jià)檢查、屬性檢查及模型檢查,以減少因傳統仿真遺漏而引入的問(wèn)題。
 
  靜態(tài)時(shí)序分析(STA):在布局布線(xiàn)后執行嚴格的STA,確保設計達到準確的時(shí)序約束,防止由于時(shí)鐘偏斜、延時(shí)不匹配導致的功能失效。
 
  3. 增強可靠性設計
 
  冗余技術(shù):使用三模冗余(TMR)、糾錯碼(ECC)或其他容錯機制,提高系統的抗錯誤能力。
 
  內建自測試(BIST):集成自測試電路,能夠在運行過(guò)程中檢測硬件故障,增強產(chǎn)品的現場(chǎng)可靠性。
 
  軟錯誤防護:針對輻射效應和其他非長(cháng)久性故障,采用適當的軟錯誤率(SER)防護策略。
 
  4. 硬件實(shí)現與簽核
 
  綜合與優(yōu)化:選擇高性能的綜合工具,并對其進(jìn)行參數調整以獲得較優(yōu)布局布線(xiàn)結果,同時(shí)考慮資源利用率、速度和功率。
 
  物理設計簽核:對完成布局布線(xiàn)后的設計進(jìn)行全面的物理設計簽核,包括DRC(設計規則檢查)、LVS(Layout Versus Schematic),確保設計符合工藝要求。
 
  綜上所述,提升FPGA設計質(zhì)量涉及諸多方面,需要在整個(gè)開(kāi)發(fā)周期中結合先進(jìn)的設計理念、嚴謹的驗證手段和科學(xué)的測試方法,才能最終打造出高可靠性的FPGA產(chǎn)品。
 
  廣電計量具備哪些FPGA測試服務(wù)經(jīng)驗?
 
  廣電計量FPGA測試團隊具有全面的裝備軟件測試資質(zhì),目前承接的項目包括商飛C919、載人航天、特殊裝備等領(lǐng)域數十項FPGA軟件測試項目,任務(wù)涵蓋了第三方驗收測試、內部測試、鑒定測試/定型測試,測試級別覆蓋單元測試、配置項測試和系統測試。
 
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