基于軟件測試技術的FPGA測試研究

現場可編程門陣列（FPGA）的出現大大壓縮了電子產品研發(fā)的周期和成本，由于FPGA器件具有高密度、低功耗、高速、高可靠性等優(yōu)點，在航空、航天、通信、工業(yè)控制等方面得到了大量應用。隨著FPGA應用領域的擴展以及重要性和復雜程度的提高，其可靠性問題變得越來越突出，因此對FPGA系統(tǒng)的測試需求變得尤為迫切。

目前FPGA測試技術的研究主要集中于對FPGA芯片資源的測試，通過編程覆蓋FPGA所有的邏輯資源[1，2]和連接資源[3]，驗證每個單元基本邏輯功能的正確性，而無法對電路的整體行為進行有效的驗證。硬件描述語言(HDL)是FPGA電路設計的主要實現方式，和軟件一樣，HDL也是人腦思維的邏輯產物，同樣存在著不希望或不可接受的人為錯誤。隨著設計復雜程度的提高，由HDL引入的缺陷成為影響FPGA可靠運行的關鍵因素，對FPGA電路行為的測試成為提高系統(tǒng)質量和可靠性的重要環(huán)節(jié)。

MIN Y.H.提出了在FPGA系統(tǒng)中進行高層測試的必要性[4]。高層測試即任何高于門級的測試，考慮的是高層描述，如HDL、狀態(tài)圖、功能塊圖等，通過高層測試發(fā)現設計中的缺陷，并在系統(tǒng)的開發(fā)階段充分考慮測試需求，指導系統(tǒng)設計。以此為基礎，先后提出了一系列具體的實施方法，如層次化的測試方法、基于電路功能或結構的測試方法、基于模擬的測試方法等。

1 研究背景

1.1 軟件測試技術概述

在IEEE的軟件工程標準術語中，軟件測試定義為使用人工和自動手段來運行或測試某個系統(tǒng)的過程，其目的在于檢驗它是否滿足規(guī)定的需求或找出預期結果與實際結果之間的差別。

按照測試級別，軟件測試包括單元測試、部件測試、配置項測試、系統(tǒng)測試等；按照測試方法，軟件測試可分為動態(tài)測試和靜態(tài)測試，動態(tài)測試又可分為黑盒測試和白盒測試。靜態(tài)測試包括了代碼審查、靜態(tài)分析、代碼走查等測試類型；動態(tài)測試包括邏輯測試、功能測試、性能測試、接口測試等測試類型。白盒測試通常采用以邏輯覆蓋衡量的結構性測試技術；黑盒測試通常采用包括功能分解、等價類劃分、邊界值分析等在內的功能性測試技術[5]。

1.2 FPGA系統(tǒng)的特點

FPGA作為可編程邏輯器件，通過編程的方式(如HDL)將通用芯片配置成用戶需要的硬件數字電路，FPGA和軟件系統(tǒng)具有相似的結構和開發(fā)方式，HDL與軟件都是人腦思維邏輯的產物，具有相似的語法和失效機理。因此，將軟件測試的成熟技術用于FPGA測試，在理論和操作上均具有可行性。

但是，由于軟硬件系統(tǒng)本質上的不同，FPGA和軟件系統(tǒng)在測試要求上存在一定的差異，表1從開發(fā)方式、代碼執(zhí)行順序、受硬件影響程度、執(zhí)行結果的隨機性以及應用領域等方面，歸納了FPGA和軟件系統(tǒng)的不同之處。


2 FPGA特有測試要求

針對FPGA和軟件系統(tǒng)的差異，存在不同于軟件測試特有的測試要求，包括HDL代碼檢測要求、測試級別要求和時序測試用例設計要求等。

2.1 HDL代碼檢測要求

由于HDL代碼并行執(zhí)行并存在硬件環(huán)境的影響以及競爭、冒險等不確定結果，在白盒測試中具有不同于軟件測試的要求。一方面，不同于軟件的控制流和數據流，并行程序的時序和信號流是一對相互依存的信息，程序的邏輯狀態(tài)由二者共同確定。這就要求在測試中，既要依據信號流圖對組合邏輯進行驗證，還要依據時序圖分析時變信號的時序一致性。另一方面，硬件特征對運行結果的影響也是代碼檢測中需要考慮的因素[6]。在編碼規(guī)范的制定上，應當充分考慮并行程序的特點，正確處理與硬件資源之間的關系，避免競爭、冒險等不確定結果的產生。

2.2 測試級別的要求

與傳統(tǒng)自底向上的電子設計技術不同，FPGA采用與軟件開發(fā)相同的自頂向下的設計方法。一個項目的開發(fā)過程，從系統(tǒng)的分解、RTL模型的建立、門級模型的產生，到最終的可以物理布線實現的底層電路，是一個從高抽象級別到低抽象級別的開發(fā)周期。在開發(fā)過程中，需要在每一階段分別進行行為仿真、功能仿真、門級時序仿真等仿真驗證，而在測試階段需要自底向上依次從門級、元件功能級到系統(tǒng)行為級進行測試。

2.3 時序測試用例設計要求

FPGA的并行運算和高響應速度的特性，使其在對高速時序邏輯的處理中得到廣泛應用。因此對FPGA系統(tǒng)功能、性能的測試中，不能僅僅局限于對穩(wěn)態(tài)輸入輸出的驗證，還需要驗證系統(tǒng)對時序信號的響應及輸出量隨時間變化正確性的判斷。因此在測試用例的設計中，需要對系統(tǒng)輸入、輸出的時間變化趨勢進行規(guī)定，并提供動態(tài)輸出信號的判斷準則，同時需要開發(fā)時序測試環(huán)境支持測試用例的執(zhí)行。

3 FPGA測試技術框架

3.1 測試級別

把抽象的實體結合成單個或統(tǒng)一實體的過程稱為綜合，FPGA系統(tǒng)的每一步開發(fā)過程都可以稱為一個綜合環(huán)節(jié)，即將自然語言表示經過自然語言綜合轉換為HDL算法表示，再通過行為綜合轉換在寄存器傳輸（RTL）級，進一步通過邏輯綜合轉換為邏輯門的表示，最終通過結構綜合轉換為版圖表示。對于每一個綜合環(huán)節(jié)，都對應響應的測試級別，FPGA測試的“V”模型如圖1所示。