CN103412253A

CN103412253A - 互联结构模型化方法和互联资源配置向量自动生成方法

Info

Publication number: CN103412253A
Application number: CN2013103365101A
Authority: CN
Inventors: 阮爱武; 万理; 杨钧皓; 介百瑞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-08-05
Also published as: CN103412253B

Abstract

互联结构模型化方法和互联资源配置向量自动生成方法，属于FPGA技术。本发明的互联结构模型化方法包括下述步骤：首先对芯片中的金属线进行分类，同一类的金属线统称为一个layer，两条金属线之间只有通过开关盒中的可编程配置点PIP才能建立连接，同类金属线之间的PIP称为intra-PIP，而不同类金属线之间的PIP称为inter-PIP；然后以所有的layer为点，PIP的连接关系为边，建立图形。本发明能够自动生成测试配置，测试效率高。本发明对互联资源测试覆盖率高，尤其对PIP的覆盖。本发明不针对具体某一种型号的FPGA，能够用于SRAM型的FPGA测试，通用性好，方便移植。本发明能够做到更精确的故障定位和诊断。

Description

互联结构模型化方法和互联资源配置向量自动生成方法

技术领域

本发明属于FPGA技术。

背景技术

SRAM型现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，以下简称FPGA）主要由可编程逻辑单元阵列、输入输出模块、知识产权核以及大量的互联资源（Interconnect Resource，以下简称IR）构成。

基于SRAM的FPGA互联资源测试中，由于互联资源种类多，连接关系复杂多变，而且互联线和可编程连接点（Programmable Interconnect Point，以下简称PIP）都在芯片内部，占据芯片面积很大，其测试一直是很难解决的问题。

随着现代FPGA的发展，互联资源越来越复杂，其在FPGA内部的比重不断增加，在目前上千万门级的FPGA中甚至接近90%，因此其发生故障的概率要比其他资源大得多。

传统的测试方法是针对FPGA可编程和具体的结构特点，通过FPGA_Editor手工布局布线，完成测试配置（Test Configuration，以下简称TC）。传统的芯片测试技术效率低，只能针对具体结构的芯片，而且不能实现自动配置，已经不再适用。文献(Modeling of FPGA Local/Global Interconnect Resource andDerivation of Minimal Test Configurations)和文献（一种基于贪心策略的FPGA局部互联测试方法[P].发明专利,CN102116840A,2011-07-06)的方法只适用于局部的互联资源测试。文献（Application-Independent Testing of FPGA Interconnects）和文献(中国科学院沈阳自动化研究所.一种基于最大流方法的FPGA测试方法[P].发明专利,CN102116839A,2011-07-06)的方法只能做全局测试，不能局部测试，而且对PIP的测试覆盖率很低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种高效率的互联资源配置向量自动生成方法。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，互联资源配置向量自动生成方法，其特征在于，包括下述步骤：

1）根据具体FPGA芯片的开关盒结构，建立该FPGA的互联资源模型：首先对芯片中的金属线进行分类，同一类的金属线统称为一个layer，两条金属线之间只有通过开关盒中的PIP才能建立连接，同类金属线之间的PIP称为intra-PIP，而不同类金属线之间的PIP称为inter-PIP；每一个layer为点，所有的layer构成了点集，PIP的连接关系作为边集，建立IR模型；

2）将IR模型转换为邻接矩阵A，矩阵A中的每一个元素都对应了IR模型中环或有向边；

3）根据矩阵A寻找一组最优的可布通路径，每一条可布通路径都对应了一组相同类型的TC；

4）将步骤3）中的得到的每一条路径转化为有向图Gp，路径中的每一个layer的每根线表示为Gp中的点，路径中包含的每一个PIP表示为Gp中的边；

5）从图论模型Gp中得到节点不相交路径（Node Disjoint Paths，以下简称NDP），采用基于局部最优解的边着色算法对Gp进行边着色，获得最优或者近似最优的解；同一颜色的边组成一组NDP，一组NDP即对应了一次测试配置，NDP的数目等于测试配置次数；

6）重复步骤4）和步骤5），直到计算出所有路径对应的NDP，得到该FPGA芯片的测试配置集合。

本发明的有益效果：

1、本发明能够自动生成测试配置，测试效率高。

2、本发明对互联资源测试覆盖率高，尤其对PIP的覆盖。

3、本发明不针对具体某一种型号的FPGA，能够用于SRAM型的FPGA测试，通用性好，方便移植。

4、本发明能够做到更精确的故障定位和诊断。

附图说明

图1为本发明技术方案流程图；

图2为IR通用模型图；

图3为IR通用模型邻接矩阵；

图4为基于局部最优解的边着色算法示意图；

具体实施方式

本发明的具体实施步骤如下：

步骤1）根据具体FPGA芯片的开关盒结构，建立该FPGA的IR模型。首先对芯片中的金属线进行分类，同一类的金属线统称为一个layer。两条金属线之间只有通过开关盒中的PIP才能建立连接。同类金属线之间的PIP称为intra-PIP，而不同类金属线之间的PIP称为inter-PIP。每一个layer为点，所有的layer构成了点集V，PIP的连接关系为边，建立IR模型；

步骤2）将IR模型转换为邻接矩阵A。矩阵A中的每一个元素都对应了IR模型中环或有向边，第i行i列的元素Di对应了模型中layer_i的环Di，第i行j列的元素Di-j对应了模型中连接layer_i和layer_j的有向边Di-j；

步骤3）根据矩阵A寻找一组最优的可布通路径。每一条可布通路径都对应了一组相同类型的TC。所找出的一组路径必须满足一些特定的条件，以便接下来能够从中得到可用的最优TC；

步骤4）将步骤3）中的得到的每一条可布通路径转化为有向图Gp，路径中的每一个layer的每根线表示为Gp中的点，路径中包含的每一个PIP表示为Gp中的边；

步骤5）从图论模型Gp中得到NDP。采用基于局部最优解的边着色算法对Gp进行边着色，可以获得最优或者近似最优的解。同一颜色的边组成一组NDP，一组NDP即对应了一次测试配置，NDP的数目等于测试配置次数；

步骤6）重复步骤4）和步骤5），直到计算出所有路径对应的NDP，得到该FPGA芯片的测试配置集合，将自动生成的结果输出。

所述IR模型图是一个有向非负赋权图D。

所述基于局部最优解的边着色算法：每选定一种颜色后，都让最多的边被着色，以使得所使用颜色总数尽可能小；该算法包括两部分：1、基于最大匹配的偶图着色算法；2、寻找有向链状n部图的NDP算法。

所述基于最大匹配的偶图着色算法：从偶图Gb开始寻找一个最大匹配M1，然后再寻找Gb-M1的最大匹配M2，如此继续可将Gb分解为n个匹配M1,M2,…,Mn，每个匹配着一种颜色，即为一组着色方案。

所述寻找有向链状n部图的NDP算法包括：

首先将链状n部图分解为n-1个偶图，然后对n-1个偶图分别执行基于最大匹配的偶图着色算法，同一颜色对应的边即为一组NDP。

更具体的实施方式参见图1，图1本发明技术方案流程图，步骤如下：

步骤1）根据具体FPGA芯片的开关盒结构，建立该FPGA的IR模型。首先对芯片中的金属线进行分类，同一类的金属线统称为一个layer。两条金属线之间只有通过开关盒中的PIP才能建立连接。同类金属线之间的PIP称为intra-PIP，而不同类金属线之间的PIP称为inter-PIP。因此把FPGA芯片中的开关盒分为：1、各类金属线形成的若干个layer；2、各个layer对应的intra-PIP；3、不同layer之间的inter-PIP。如图2所示，我们采用了图论中有向非负赋权图的概念，来建立通用IR模型图G{V,E}，图中的点代表各个layer，环代表一类intra-PIP，有向边代表一类inter-PIP。所有的layer构成了点集V，V={layer_1,layer_2,layer_3,layer_4,layer_5,…,layer_n}，PIP构成边集E，建立IR模型。

步骤2）将IR模型转换为邻接矩阵A。如图3所示，矩阵A中的每一个元素都对应了IR模型中环或有向边，第i行i列的元素Di对应了模型中layer_i的环Di，第i行j列的元素Di-j对应了模型中连接layer_i和layer_j的有向边Di-j，而元素0则表示相应坐标处不存在环或有向边。；

步骤3）根据矩阵A寻找一组最优的可布通路径。每一条可布通路径都对应了一组相同类型的TC。例如，(L1L1)→(L1L2)→(L2L3)→…→(Li Ln)就是一条可布通路径，(Li Ln)表示在IR模型的邻接矩阵中，第i行n列存在元素“Di-n”。所找出的一组可布通路径必须满足一些特定的条件，以便接下来能够从中得到可用的最优TC；

步骤4）将步骤3）中的得到的每一条路径转化为有向图Gp，路径中的每一个layer的每根线表示为Gp中的点，路径中包含的每一个PIP表示为Gp中的边，每一条可布通路径中都包含了少量的intra-PIP和大量的inter-PIP。例如路径(L1L1)→(L1L2)→(L2L3)→…→(Li Ln)中，(L1L1)表示intra-PIP，而(L1L2)，(L2L3),…,(Li Ln)则代表了大量的inter-PIP。由于这两种PIP需要采用不同的方法进行覆盖，所以将Gp分解为Gp1和Gp2两个子图，Gp1表示intra-PIP的部分（分解为各方向偶图的并集），Gp2表示inter-PIP的部分（分解为链状n部图）。

步骤5）从图论模型Gp中得到NDP。采用近似的着色算法对Gp进行边着色，可以获得最优或者近似最优的解。同一颜色的边组成一组NDP，一组NDP即对应了一次测试配置，NDP的数目等于测试配置次数；

所述IR模型图是一个有向非负赋权图D。

所述寻找可布通路径的特定条件：在D中，选定所有带环的点为起点，layer_n为终点。从这些起点开始逐条添加有向边以形成有向路径直至到达终点，最终得到若干条可布通路径，这若干条可布通路径的并集能够覆盖图D中的所有边，也就是覆盖所有的PIP，并且所有路径的权值总和最小。

所述寻找可布通路径算法：在得到一款FPGA芯片的IR模型图后，首先标记存在环的点为起点S，layer_n点为终点T。按照从layer_1点到layer_n-1点的顺序，选择其中的S点作为起点依次按照一定的规则添加有向边形成路径，直至到达终点T。实际上，选择起点环做为路径的起始边，环的权值作为路径的初始权值W。在生成有向路径的过程中，当前路径的终点被称为操作点。到达一个操作点之后，必须按照一定的准则来选择下一条出边，从而生成路径并到达下一个操作点。如果某个操作点发生无法继续生成有向路径的情况，则退回到前一个操作点，忽略这两点之间的边，按照准则重新生成路径。借助邻接矩阵，一组最优的可布通路径可以由计算机程序自动生成。

所述基于最大匹配的偶图着色算法：从偶图Gb开始寻找一个最大匹配M1，然后再寻找Gb-M1的最大匹配M2，如此继续可将Gb分解为n个匹配M1,M2,…,Mn，每个匹配着一种颜色，即为一组着色方案。Gb为具有二分类(X,Y)的偶图，寻找Gb最大匹配的具体算法为：

Step.1设置初始匹配M为空，若M饱和X的每个顶点，则算法停止；否则，设u是X中的M非饱和顶点，置点集S={u}且点集T=φ，φ表示空集。

Step.2若N(S)=T，N(S)表示点集S的邻域，由于|T|=|S|-1，所以|N(S)|<|S|，算法停止，因为根据图论中的HALL定理，不存在饱和X的每个顶点的匹配；否则，设点y∈N(S)\T。

Step.3若y是M饱和的，则设yz∈M，令S=S∪{z}，T=T∪{y}，并跳转到step2；否则，设路径P是M可扩充路，令M=(M∪E(P)-M∩E(P))，E(P)表示路径P的边集，并跳转到step1。

算法循环停止后所得到的匹配M即为Gb的一个最大匹配。

所述寻找有向链状n部图Gn的NDP算法：

首先将链状n部图Gn分解为n-1个偶图，然后对每一个偶图Gi(i+1)分别执行基于最大匹配的偶图着色算法，同一颜色对应的边即为一组NDP。具体分为两个步骤：

（1）从G12开始依次对每一个偶图Gi(i+1)执行基于最大匹配的偶图着色算法进行边着色；（2）每完成一种颜色的着色之后，删去已经着色的边，重复执行步骤（1），直至Gn中的所有边都被着色，此时Gn就被分解为N组由不同颜色所代表的NDP。

说明书已经充分说明了本发明的必要技术内容，普通技术人员能够依据说明书加以实施，故不再赘述更具体的技术细节。

Claims

1.互联结构模型化方法，其特征在于，包括下述步骤：首先对芯片中的金属线进行分类，同一类的金属线统称为一个layer，两条金属线之间只有通过开关盒中的可编程配置点PIP才能建立连接，同类金属线之间的PIP称为intra-PIP，而不同类金属线之间的PIP称为inter-PIP；然后以所有的layer为点，PIP的连接关系为边，建立图形。

2.互联资源配置向量自动生成方法，其特征在于，包括下述步骤：

1）根据具体FPGA芯片的开关盒结构，建立该FPGA的互联资源模型：首先对芯片中的金属线进行分类，同一类的金属线统称为一个layer，两条金属线之间只有通过开关盒中的可编程配置点PIP才能建立连接，同类金属线之间的PIP称为intra-PIP，而不同类金属线之间的PIP称为inter-PIP；每一个layer为点，所有的layer构成了点集V，PIP的连接关系为边，建立IR模型；

2）将上述的IR模型转换为邻接矩阵A，矩阵A中的每一个元素都对应了IR模型中环或有向边；

3）根据矩阵A寻找一组最优的可布通路径，每一条可布通路径都对应了一组相同类型的测试配置；

5）从图论模型Gp中得到节点不相交路径，采用基于局部最优解的边着色算法对Gp进行边着色，获得最优或者近似最优的解；同一颜色的边组成一组NDP，一组NDP即对应了一次测试配置，NDP的数目等于测试配置次数；

6）重复步骤5）和步骤6），直到计算出所有路径对应的NDP，得到该FPGA芯片的测试配置集合。

3.如权利要求2所述的互联资源配置向量自动生成方法，其特征在于，所述步骤5）中，基于局部最优解的边着色算法是：每选定一种颜色后，都让最多的边被着色，以使得所使用颜色总数尽可能小。

4.如权利要求2所述的互联资源配置向量自动生成方法，其特征在于，所述基于局部最优解的边着色算法包括两部分：基于最大匹配的偶图着色算法；寻找有向链状n部图的NDP算法。