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在DO-254項目中確保符合和成本有效地使用IP

更新日期:2018-03-05 23:37:34  瀏覽次數:830次  作者:admin  【打印此頁】  【關閉

IP的崛起

在過去的十年里,集成電路的復雜性和費用的飛漲導致新的設計風格,稱其為片上系統(System-on-Chip,簡稱SoC)設計。最初SoC這個詞是保留給可以支持嵌入式處理器和外設的ASIC設計,但是今天進行的FPGA提供了非常類似SoC的平臺。由于其巨大的復雜性,這些芯片只能有效地使用基于可重用的即插即用的組件的方法構建。這些可重用的硬件組件被稱為知識產權核(或者模塊或者宏),或者簡稱為IPIP一詞來自于專利許可和源代碼的知識產權的法律問題。今天,IP通常在ASICFPGA SoC設計中都有使用奧。

IP類型

IP有各種形式,其從高度靈活到高性能的不同性能有著廣泛存在。具有高度靈活性的是軟IP。軟IP需要源代碼形式體現,典型的是基于VHDLVerilog語言,其可以被引入到用戶設計開發的早期階段,并和用戶的設計代碼一起進行綜合。軟IP是最靈活的,因為其往往是參數化的,所以客戶可以配置。由于軟IP是獨立于工藝/器件,相同的IP可以從一個設計到另一個設計或者從設計一代到下一代重復使用,因而不存在過時的問題。例如Zipcores公司多功能視頻控制器以VHDL語言形式提供,可以用于任何FPGA或者ASIC器件肯。

與軟核相對的還有硬IP。硬IP是在硅片中嚴格實現或者以一種固定的物理設計布局的形式體現,用于特定處理工藝或者硅片平臺。可用于Xilinx Zynq SoCARM的雙核Cortex-A9處理器就是一個典型硬IP的例子思。

介于軟核和硬核的是固核IP。固核IP以網表形式存在,其經過了性能優化,且可以通過布局布線工具完成實現。基于網表的TTTech ARINC 664/AFDX核就是一個固核IP的例子。

值得一提的是任何形式的IP,即使是軟核IP都會以某種方式阻止反相工程或者復制。例如,軟核IP通常以加密方式提供給客戶,但可以通過工具被整合到設計中,其是以黑盒形式給用戶呈現出來的。

和符合IP相關的一個術語是COTSCommercial Off The Shelf)。其代表商用貨架產品。在取證的上下文中對于IP的討論是不完整的,沒有提及COTSCOTS是指設備(各種設計層次和復雜性)是由個別公司針對大眾市場所創建。COTS可以指整個板卡或者微處理器芯片(即COTS處理器)、ASSPApplication Specific Standard Product)、DSP等等。但是有時候特別是在取證指南中,術語COTS是指IP(如COTS IP)。COTS IP可能意味著無論是以前描述的任何一種還是一種硬核IP,其真正做為硅片平臺預建的一部分。例如,嵌入在Xilinx公司的Zynq器件中的ARM雙核處理器可以考慮作為COTS。另外一個復雜因素是COTS也可以指的是空白的FPGA芯片本身,其不包含用戶編程到器件中的任何定制設計程序。

航空航天&國防與IP的使用

IP無疑是今天所看到復雜設備的推動者。不尋常的是在新設備中有80%都包含有現有的IP。通訊標準和通用接口導致了IP的方便使用,并在啟動了當今的“即插即用”設計風格。在幾乎所有的電子行業領域,IP的使用很普遍。這是因為它允許設計人員快速有效地開發復雜的設計。

航空航天與國防(Aerospace&Defense)對于IP的使用主流是個規則例外。該行業通常更關心的是使用經過驗證的技術,而不是利用最前沿的技術。雖然這被認為是采用落后技術,但是有很好的理由---對于安全和安全性的考慮。這些關注給他們帶來了對設計過程本身的附加需求(即認證標準),這進一步的復雜化和延遲采用新技術。然而,在航空航天與國防的設計中,對于政策和取證的考慮一定程度放緩了對IP的采用,今天的IP使用將打破這些障礙。

提高生產率的拉動和新技術能力催生了更小、更快、更全面和低功耗設備,這將強力驅動在航空航天和國防領域采用IP。在航空航天和國防領域,減小設備尺寸、重量以及功耗的需要將導致更激烈的競爭。生產效率的提高也需要降低在該領域出了名的項目開發費用。SoC器件為這方面的壓力提供了一個答案,使用IP是開發這些種類設備的一種手段。

在航空航天和國防設計中使用IP的主要問題是認證需求,其要么是含混不清要么是極難滿足,留給DO-254申請方的是想知道如何甚至是否能夠使用IP,并尋找答案和解決這一難題的解決方案。

DO-254背景和IP政策的演變

RTCA/DO-2542000年代早期所開發以及由FAAEASA和其他認證當局在2005年引用為官方政策,以提供作為“機載電子硬件設備保證指南”。所編寫的該文檔適用于所有機載電子硬件的開發,從最小的組件到現場可替換單元(LRU)。然而,當其由FAA通過AC 20-152正式引用的時候,FAA縮小應用范圍,主要集中在對“定制微碼組件”的開發上,如采用現今的術語和工藝的PLDFPGAASICSoC類型的設計。而DO-254中沒有引用IP,其只是在第11.2章節提到了COTS,特別指出的是單獨設備級別(如芯片或者板級)。在第11.2章節中的COTS的一些信息可以適用于IP,對其調用的范圍重新劃分使得這部分的申請變得不清楚。

后來的指南文檔(發布于2008年),Order 8110-105,其目的是向負責執行DO-254取證當局提供更多的指導,嘗試澄清在“定制微碼組件”(即在DO-254申請的官方層面)背景下對COTS的使用。Order 8110-105首次在機載電子硬件政策中引入了“COTS IP”術語。通過以下陳述,基本上否定了DO-25411.2章節對COTS的討論:

“Though AC 20-152 recognized RTCA/DO-254 as an acceptable means to gain FAA approval of complex custom micro-coded components, the AC doesn’t recognize RTCA/DO-254 as an acceptable means to gain design assurance for COTS components.”

“雖然AC 20-152認可RTCA/DO-254可以作為復雜定制微碼組件獲得FAA批準的可接受方式,但咨詢公告沒有認可RTCA/DO-254作為一種可接受方式以獲得COTS組件的設計保證.”

Order 8110-152 繼續描述IP和應該如何從一個DO-254符合的角度處理。基本上,其簡單的注意事項如下:

“Intended to provide specific functions or abilities in many different applications, COTS components may or may not have been developed using a rigorous design assurance method (such as RTCA/DO-254). Given this, we must ensure that the applicant and hardware developer show that using COTS IP complies with the applicable airworthiness requirements, regulations, policy and guidance for that project.”

“在許多不同的應用中意在提供特定的功能或能力,COTS組件可能會或可能不會被采用嚴格的設計保證方法(如RTCA/DO-254)所開發。鑒于此,我們必須確保申請方和硬件開發者表明,所使用的COTS IP符合適用的適航需求、法規、用于該項目的政策和指南。”

這將導致一個大問題---如何來做?

Order 8110-152中繼續描述:

“Availability of COTS IP doesn’t automatically guarantee that it can be used in a manner that complies with airworthiness requirements, regulations, policy and guidance. Depending on the complexity of the COTS IP and the availability of IP documentation, applicants and/or hardware developers may have significant work to show compliance for the system or equipment. Note: COTS IP cores that come as a netlist only and COTS processor cores (soft or hard) may not have the available documentation to show compliance.”

COTS IP可用性不會自動地保證其以一種方式能用于符合適航需求、法規、政策和指南。根據不同的COTS IP的復雜性和文檔的可用性,申請方和/或硬件開發者可能有顯著的工作表明符合系統或者設備。注意:作為一個網表的COTS IP核和COTS處理器核(軟核或者硬核)可能沒有足夠的可用文檔以證明其符合性”

換句話說,僅因為COTS IP有效并不意味著在DO-254項目中使用可以被接受。如果要使用它,需要準備大量的工作來表明其符合性。

Order 8110-152中也增加了以下內容:

“Using a COTS IP in a SEH/CEH that’s installed in airborne systems or equipment should satisfy applicable functional and safety-related requirements. RTCA/DO-254 Section 11.2 may not be sufficient for design assurance of a COTS IP implemented in a SEH/CEH that supports level A and B aircraft, and other safety critical, functions. As a result, applicants may need to develop or augment system architectural mitigation, component verification, testing, analysis and other life cycle data of a COTS IP. All this is needed to demonstrate its intended function, show it is free from anomalous behavior, satisfies applicable regulations, and meets airworthiness requirements.”

“安裝在機載系統或者設備中的SHE/CEH中使用了COTS IP,其應該滿足適當的功能和安全相關的需求。RTCA/DO-254的第11.2章節未必能夠為在SHE/CEH中所應用的COTS IP提供足夠的設計保證,以支持A和B設計保證等級、其它安全關鍵和功能。結果是申請方可能需要為COTS IP開發或者增加系統架構緩解、組件驗證、測試、分析和其它生命周期數據。所需的所有這些用于證明其預期功能,表明其沒有不合適的行為,滿足使用的法規和達到適航需求”

基本上來說COTS IP,如果集成到需要符合DO-254的設計中,并沒有特殊的待遇。其也必須要被表明符合標準,這對于申請方來講是個很大的負擔,尤其是設計保證級別為A和B的設計。

Order 8110-152也嘗試提供可能的潛在可接受的符合方式(假設IP沒有按照DO-254要求開發):

Reverse engineering

反向工程

 Extensive testing and analysis

廣泛地測試和分析

 Architectural mitigations at the device, board, LRU or system level

在器件、板級、LRU和系統級的架構緩解

 Product experience

產品履歷

所有這些選項很容易或者在某些情況下甚至是可行的。反向工程和廣泛的測試和分析(對DAL為A和B的設備)幾乎是不可能實現的,而在不訪問IP源代碼的情況下,也幾乎不可能獲得基于普遍的商業化的IP業務模式。架構緩解很難做到最好,會造成反復回歸到高級別設計,而且往往會增加設計團隊的負擔。從IP供應商處獲取產品履歷信息(如果有),以滿足取證當局所需要的級別也是很困難的。

最新的政策文檔(2012)是EASA的Certification Memo CM-SWCEH-001試圖對該問題進行分類。在第8.4.4章節“COTS IP”,該備忘錄提供了對該問題的最簡潔的指南,陳述如下:

“The rigor of the development processes for any COTS IP used in the design and implementation of ASICs or PLDs should be commensurate with their intended use and should satisfy the applicable functional and safety requirements. COTS IP life cycle data may need to be augmented to satisfy the guidance of ED-80/DO-254 and this CM Section.

If COTS IP is used:

o COTS IP requirements should be defined and verified as recommended in ED-80/DO-254 and the relevant sections of this CM.

o COTS IP guidelines (in datasheets, user manuals and errata sheets) should be defined to identify specific constraints necessary to properly control the unused functions of the COTS IP. In addition to the verification that the COTS IP is used as recommended (in datasheets, user manuals and errata sheets), functional robustness verification should be performed to ensure correct interaction within the functions involving the COTS IP.”

該文檔要比Order 8110-152使用更少的文字,其基本描述了相同的事情,確保IP的DO-254地符合以及需要準備花費更大的努力確保其滿足適航需求。

IP和取證困境

IP被正式命名為知識產權是因為相對于其他使用公司來講這是其公司的專長。IP提供者或者供應商被激勵來銷售者方面的知識,當時他們還是非常積極地來保護它,使得細節很難獲得,使得他們能夠銷售但又讓客戶不知道其背后的“訣竅”。大部分IP使用者或者集成商不關心IP內如如何運行,他們只是想知道IP是否完成其預期功能。

這適合于IP銷售的常見模式:商業IP供應商提供IP功能和使用文檔,以及經過加密的IP本身(或以其他方式固定或者屏蔽)。這使得IP集成商可以理解IP可以實現什么功能、如何使用,而不用關心其內部實現。如果IP集成商可能看到“黑盒子”IP的內部,那將非常容易讓他們把這些知識轉變為己有,可以在任何時候被重新實現或者重用。他們也可以修改IP,可能會引入錯誤或者問題到原有的功能,這將增加IP供應商巨大的支持負擔,導致該IP供應商的歇業。

該模式在商業市場工作的很好,但在DO-254符合世界并不是那樣好。在商業市場,IP集成商之需要或想要合并某一功能。他們可以簡單地采用和整合該功能到設計中,并不需要查看內部的源代碼。然而,對于DO-254的符合,一個“定制微碼”器件的所有內容必須標明其符合。如前所示,至少是針對于設計保證級別為AB的器件,對于IP的符合來講確實沒有例外,必須包括硬件設計標準、代碼審查、廣泛的基于需求的驗證、要素分析(通常在仿真過程中都必須獲得100%的代碼覆蓋率)等。它也可能涉及在SOI的審核階段或者特殊情況下(如調查),要顯示源代碼給取證當局或者他們的委任代表。這是的DO-254申請方比較掙扎,本質上他們是嘗試保留IP的效率優勢。

那么為什么商業化IP供應商不關注航空航天和國防市場的需要,那些必須符合DO-254,并加緊提供給該市場的需求呢?通常情況下,商業供應商無論是工具、IP或者其它COTS產品的費用大部分都是來自于前期的開發產品。這些公司都往往是處于商業、消費類或者可能的電信市場,如果誰需要絕對最新和最新進的技術,只要付費都可以銷售,且被大量采購。而航空航天和國防在它們的需求和支出方面則要保守得多,購買的數量往往是非常小。因此,通常情況下,航空航天和國防趨向導致沒有太多商業供應商愿意提供這方面的需求。

最后,由于IP類型較多,假定有一個性價比高的方法用于符合,什么類型的IP應該被選擇呢?正如前面所提到的,IP可以采用多種形式,每個都有自己的優點和缺點和潛在的認證問題。

COTS:優點和缺點

首先,在考慮嵌入式IP前提下,片外的COTS組件對公司來說是購買一個選項,其且對他們的系統提供關鍵的功能(注意:在這種情況下,COTS是指預先定義的復雜的組件,而不是空白的FPGA結構,其會在后面單獨討論)。這是一種可行的方法,COTS是現成的,且航空航天和國防公司目前正在使用這些組件。COTS組件具有廣泛的用戶基礎,因此降低了內部開發成本,這是非常可取的。開發該項技術的初始成本是由早期的其他商業利益支付。這給航空航天和國防提供了業務和技術相對落后,但具有成本效益和可靠性的選擇。然而,購買整個整個組件所以提供每個功能不符合減少替換的初衷。

由于客戶對新的或不同地技術的青睞導致突然變更,COTS另外一個問題是這些器件容易受到停產的影響。由COTS供應商有針對性的商業市場轉移以適應市場變化的需求是非常迅速的,這不合適在航空航天和國防市場中存在的比較長的設計生命周期和更長的產品生命周期的特點。當要提交COTS時,會受制于供應商。如果耗材用盡,你將需要重新設計你系統的某些方面。

此外,雖然這些方法似乎可以作為使用COTS的解決方案,且繞過DO-254的符合性要求,但是鑒于近期EASE memo CM-SWCEH-001已經把DO-254的適用范圍提升到了更高級別(如板級和LRU),這些方法都是不正確的。該備忘錄要求在使用COTS的時候需要對其投入更多的分析工作。同時,最近通過AC 20-174指定ARP 4754A“開發民用航空和系統指南”也開始在飛機及系統級執行。該文檔強制要求更高的設計保證級別,最終使得系統和以前開發的硬件之間的設計保證差距收斂。而且還不清楚,對于COTS使用會產生什么樣新的影響。最后,如果選擇COTS作為規避DO-254的策略,需要考慮該決定對公司來講是否正確?通常情況下,公司選擇針對如航空航天和國防的安全關鍵市場提供服務,在做決定時需要把安全放在第一位。如果通過調查保證使用的方法和技術等方法,而不是基于充分工作和正確的的決定,可能很難捍衛一個設計決策。

另外一個挑戰是COTS技術的可靠性和冗余性通常達不到航空航天和國防標準。如果選擇走COTS的路線,確保你和特別是為航空航天和國防行業提供服務的供應商一起工作, 也可以提供符合DO-254的部件或者和申請方一起工作提供在機載硬件系統中所必要的接受數據。

硬核IP:優點和缺點

接著考慮硬核IP。硬核IP可以用于一個FPGA之中,可以針對停產和替換需求提供更佳的解決方案。FPGA供貨通常會有一個相當長的時間周期,以及如果FPGA內部的功能需要改變時,這就要求只進行重新編程和不重新生產電路板。雖然這也需要更多的符合性返工,但是要比重新進行電路板設計的費用要低很多。除此之外,當今的FPGA在單片上集成了大量的功能資源,對尺寸、重量和降低功耗來講都是一個最佳和有效的解決方案。

硬核IP必須集成為定制設計的一部分。通常硬核IP是可以配置的,這主要是通過軟核IP。例如,物理層的PCI Express功能可以作為FPGA自帶的硬核IP,定制代碼或者軟核IP用于實現設計中完全的PCI Express功能。很少有硬核IP單獨使用。因此劃分硬核IP和用戶設計或者軟核IP之間的邊界可能比較困難。完全硬核IPXilinx Zynq可編程SoC器件中的Cortex9處理器,真正應該把其作為COTS,盡管其嵌入在FPGA COTS器件中。為了符合的目的,在這種類型的器件中,空白FPGA結構結合硬核IP都可以看作COTS。在這種情況下,最好是和類似Xilinx公司合作,確定如何服務于航空航天和國防市場的需要,以確保支持COTS或者硬核IP的符合。

固核IP:優點和缺點

固核IP真正處于灰色地帶。其應該被看作軟核IP(在下一節討論),但是因為其格式(基于工藝的網表),其又不是和軟核IP一樣靈活且不能用在其它器件,仍然被整合到了定制設計代碼中,因此也必須作為定制代碼的一部分,而非COTS。固核IP實際上是有嚴格限制的一個軟核IP的版本,在DO-254符合過程中更加有挑戰,就是因為沒有有效的源代碼。

軟核IP:優點和缺點

軟核IP提供了所有硬核IP可以解決設計替換的問題,因為其以源代碼形式存在也可以更好處理停產的問題,可以被復用和并選擇將來的器件作為新的實現對象。因為其源代碼格式的有效性可以很容易整合到定制代碼中變成完全的“定制微碼組件”。這也使得更容易符合DO-254。如前所述,在符合DO-254的過程就能夠解決不能訪問源代碼的問題。使用軟核IP,可以確保完全符合,真正提供最大的好處,包括設計保證。該方法解決了如何克服傳統障礙和軟核IP的符合。

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