Altera FPGA设计安全工业芯片系统的验证方法

组件选择，组件，IP和工具资格
典型的工程都有组件选择步骤，但是设计人员应确保组件和IP功能适合安全应用。重要的是考虑残留错误概率，这是计算产品全部失败概率(FIT)以及最终SIL的基础。可以通过收集广泛应用的产品的器件和设计工具数据来实现这一点，这样，不会出现系统错误，能够可靠使用(例如，对于IP)，还可以通过使用处理器或者FPGA等半导体产品错误概率报告以及可靠性信息来实现它。

应用设计实现
通信协议、FPGA的存储器接口IP、或者嵌入在FPGA中的Altera Nios? II嵌入式处理器IP等复杂系统功能，通常用于运行驱动应用中工业以太网协议的软件堆栈，这些都需要进行安全应用分析、测试和认证。

功能/诊断功能
除了实现应用程序，还必须在设计中加入某些功能。这些设计需要采用时钟和电源等基本参数监视功能以及数据监视等复杂功能，观察脉冲宽度调制(PWM)的输出，从而保证系统正常工作。他们还需要能够自动发现错误的功能，使系统进入安全状态。基本功能包括保证存储器内容不会由于外部影响设计而发生改变，监视系统时钟以保证在设定的系统参数范围内驱动设计(或者由于外部组件的失效导致出现错误)，电源正常工作。

集成和测试
将每一组件集成到安全驱动方案中，进行测试，实现预期的系统功能，提供设定好的安全功能。通过安全验证，保证所需的安全特性能够在工作期间发挥作用，例如，确保外部因素对设计的安全功能没有不利影响，偶然的禁用不会影响系统。

安全验证、认证和发布
在整个过程中，要求与评估人员密切合作，以保证在开发过程中所进行的评估是合理的，提供合适的安全功能。最后，评估人员对产品的安全功能进行认证，可以向市场推出该产品。

增加预认证安全功能
Altera等半导体供应商提供某些步骤帮助实现这一过程，减少了在安全应用开发上的投入。例如，立即使用经过功能安全预认证的半导体数据、IP、开发流程和设计工具等，大幅度缩短整个产品开发过程，如图4所示。

图4.具有预认证安全步骤的设计步骤

Altera投入了近两年的时间来实现产品认证。Altera的SIL 3 (SIL3)功能安全数据包包括评估机构Tü Rheinland对Altera工具、IP和器件数据的认证，缩短并简化了符合IEC 61508安全应用的开发。经过预认证的设计流程和工具，以及经过预认证的嵌入式系统和诊断知识产权(IP)降低了安全非常重要的工业应用的认证风险，例如，伺服和逆变驱动器、安全I/O和PLC以及自动控制器等。

对IP和设计工具以及器件可靠性数据的测试和应用数据进行了总结和梳理，简化了功能安全验证。公司采用TüV Rheinland认可的设计方法(V-Flow)，以满足FPGA设计的特殊需求。功能安全包包括所必须的诊断功能，将其设计为FPGA IP。功能安全包用户受益于Altera在TüV上的前期投入，在工程投入上能够节省同样的时间。

安全驱动的例子
具有安全I/O的这一驱动实例采用了Altera认证过的FPGA设计工具Quartus II软件9.0 SP2，以及所建议的设计方法实现这一应用实例。此外，如图5所示，这一应用使用了两片FPGA，而没有采用外部处理器和DSP。该应用被划分成几个Nios II软核处理器内核。第一个Nios II软核处理器提供通信堆栈支持，第二个处理系统控制，第三个Nios II处理器集成在电机控制模块中。对电机控制算法进行了划分，其软件部分运行在Nios II处理器上，针对这一应用而专门开发的硬件模块加速电机控制环的实现。外部安全控制器提供SIL3应用所需要的冗余功能。

图5.安全驱动的两片FPGA实现

这一解决方案在一片FPGA中结合了安全控制器和现场总线控制器，使用Altera的SOPC Builder系统集成工具，集成了Nios II软核处理器、其他通信IP模块，以及编码器接口和存储器接口。

芯片驱动的安全性
对于FPGA中关键而又常用诊断任务的底层监视功能，这一实例使用了Altera的安全认证诊断IP模块。这些诊断IP设计满足IEC 61508规范要求，完成以下常用诊断功能：
?循环冗余校验(CRC)计算——用于很多系统中，特别适用于现场总线应用。
?提取时钟检查——这一内核检查是否有系统时钟以及时钟频率。
?SEU检查控制器——这一模块采用了器件中的内置软错误检查硬件，监视软错误导致的变化。

由于这些硬核IP是在FPGA逻辑区中实现的，因此，系统处理器不再承担这些任务。在认证方法方面，Altera采用了IEC规范，分析了FPGA设计方法和相关要求。从这一分析中，Altera形成了工具流文档。这一工具流的中心主题是对Altera开发的FPGA V-Flow的描述，如图6所示。

图6.工具流

V-Flow及其相关文档将Altera FPGA安全应用设计的所有步骤映射到IEC规范上，满