为什么同一个FPGA系统，隔天跑就会出错？

原创 FPGA技术江湖 2024-09-21 08:42

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今天给大侠带来在FPAG技术交流群里平时讨论的问题答疑合集（十七），以后还会多推出本系列，话不多说，上货。

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交流问题（一）

Q：一个fpga写的系统在条件相同的情况下，有时候跑两天会出错，有时候十几分钟就出错了，这会是什么原因？

A：以下是一些可能导致FPGA系统在条件相同情况下，运行出错时间不固定的原因，仅供参考：

一、硬件相关因素

1. 硬件组件的不稳定性

• 电源供应

• 即使在看似相同的条件下，电源波动仍可能存在。例如，电源模块的输出可能存在微小的纹波，长时间运行后，这种纹波可能会影响FPGA内部电路的正常工作。如果FPGA的某些关键模块（如时钟管理单元或存储单元）对电源稳定性敏感，就可能导致系统出错。

• 电源的散热情况也会影响其输出稳定性。随着时间推移，电源芯片可能会因为散热不良而出现性能波动，这种波动可能间接导致FPGA系统出错。

• 外部晶振或时钟源

• 晶振的频率稳定性虽然有一定的规格范围，但在长时间运行过程中，可能会受到温度、湿度等环境因素的影响。如果FPGA系统的时钟信号依赖于外部晶振，晶振频率的微小漂移可能使系统时序出现偏差，进而导致系统出错。

• 时钟信号传输线路上的干扰也可能是一个因素。尽管在相同的物理环境下，周围电磁环境的微小变化（如其他设备的开启或关闭）可能引入时钟线上的干扰，影响时钟信号的质量，使FPGA内部的逻辑电路在不同时间出现故障。

2. 硬件连接与接触问题

• 板卡间的连接

• 如果FPGA系统是由多个板卡组成的，板卡之间的连接接口（如高速连接器或排线）可能存在接触不良的情况。在系统运行过程中，轻微的震动或者温度变化可能导致连接松动，从而引发数据传输错误或者信号完整性问题，导致系统出错。

• FPGA芯片引脚与PCB板连接

• 由于FPGA芯片引脚众多，在PCB制造过程中可能存在焊接不良的情况。例如，虚焊可能导致某些引脚的电气连接不稳定，在长时间运行或受到外界因素影响时（如热胀冷缩），这种连接不稳定可能会引发信号传输错误，使系统出现故障。

二、软件（逻辑设计）相关因素

1. 异步信号处理

• 在FPGA逻辑设计中，如果存在大量异步信号，并且没有进行正确的同步处理，就可能导致亚稳态问题。亚稳态的发生是随机的，它可能在系统运行的不同时间点出现，导致数据错误或系统异常。例如，跨时钟域的数据传输，如果没有采用合适的同步器（如双触发器同步），就可能产生亚稳态，使系统在不同时刻出现错误。

2. 内存管理与数据存储

• 内存初始化问题

• 如果FPGA系统中包含片内或片外存储器（如BRAM或外部DDR存储器），在系统初始化时，内存的初始化过程可能存在缺陷。例如，部分内存单元可能没有被正确初始化，随着系统运行，当数据写入这些未正确初始化的单元时，就可能引发数据错误，导致系统出错。由于内存的使用模式可能是随机的，所以出错的时间也不固定。

• 内存读写冲突

• 在多模块并发访问存储器的情况下，如果没有合理的仲裁机制，就可能发生读写冲突。这种冲突可能在不同的运行时刻出现，具体取决于各个模块的操作时序。例如，一个模块正在写入数据到某一内存地址，而另一个模块同时尝试读取该地址的数据，就可能导致数据错误，使系统出错。

3. 算法与逻辑漏洞

• 即使在相同的输入条件下，FPGA内部实现的算法逻辑可能存在一些边界情况没有处理好。例如，在一个数据处理算法中，对于某些特殊数值或者数据序列的处理可能存在错误。由于输入数据的随机性，这些边界情况可能在不同的运行时间被触发，导致系统出错。

• 逻辑设计中的竞争条件也可能是原因之一。当多个逻辑信号同时竞争对某个资源（如共享寄存器或信号线）的控制权时，如果没有正确的优先级设置或互斥机制，就可能导致系统行为的不确定性，从而使系统在不同时刻出现错误。

三、环境因素

1. 温度影响

• FPGA芯片在运行过程中会产生热量，长时间运行可能导致芯片温度升高。不同的温度下，FPGA内部的电路参数（如晶体管的导通电阻、电容值等）会发生变化，这可能影响逻辑电路的时序和功能。例如，某些逻辑门的延迟可能会随着温度升高而增加，从而导致时序违规，使系统出错。而且，由于散热条件在不同时刻可能存在微小差异（如周围空气流动的变化），所以系统出错的时间也不固定。

2. 电磁干扰

• 尽管在相同的总体环境下，周围电子设备的电磁辐射情况可能会有微小变化。FPGA系统可能会受到这些电磁干扰的影响，特别是对于高速信号传输线路和敏感的模拟电路部分。例如，附近设备突然启动或关闭时产生的电磁脉冲可能干扰FPGA系统的信号传输，导致数据错误或系统故障，且这种干扰的影响在不同时刻可能不同。

交流问题（二）

Q：各位大佬，请教问题，要在XILINX的两个A72核上运行不同OS，有什么方式实现呢？

A：在 XILINX 的两个 A72 核上运行不同操作系统可以通过以下方式实现，仅供参考：

一、使用虚拟化技术

1. 可以考虑使用硬件虚拟化技术，如 ARM 的虚拟化扩展（Virtualization Extensions for ARM）。这允许在同一硬件平台上同时运行多个操作系统，每个操作系统在自己的虚拟机（VM）中运行，互相隔离。

• 配置虚拟机管理程序（Hypervisor）来管理两个 A72 核上的不同虚拟机，每个虚拟机运行不同的操作系统。例如，可以使用 Xen 或 KVM for ARM 等虚拟化软件。

二、分区技术

1. XILINX 的一些开发工具和平台可能提供分区功能，可以将硬件资源划分给不同的操作系统使用。

• 通过配置硬件资源的分区，将特定的内存区域、外设等分配给不同的 A72 核，并在每个核上启动不同的操作系统。

三、引导加载程序配置

1. 配置引导加载程序（Bootloader）以支持在不同的核上加载不同的操作系统镜像。

• 例如，U-Boot 可以通过配置不同的启动参数，引导不同的操作系统在特定的核上启动。

四、定制操作系统构建

1. 针对特定的需求，对操作系统进行定制构建，使其适应在特定的 A72 核上运行。

• 可以修改操作系统的内核配置、驱动程序等，以确保其在目标硬件上正常运行，并与其他核上的操作系统相互独立。

在实现过程中，需要深入了解 XILINX 的硬件平台、开发工具以及所选择的操作系统的特性和配置方法，以确保成功地在两个 A72 核上运行不同的操作系统。

交流问题（三）

Q：请问一个always块里的if语句，有100多个elseif，可以怎么优化？

A：如果一个 always 块里的 if 语句有 100 多个 elseif，可以考虑以下优化方法，仅供参考：

一、使用状态机

将复杂的条件判断转换为状态机。状态机可以更清晰地表示不同的状态和状态转换条件，减少大量的 elseif 语句。例如：

reg [2:0] state;always @(posedge clk) begin    case (state)        state0: if (condition0) state <= state1;        state1: if (condition1) state <= state2;        //...    endcaseend

二、使用参数化模块或函数

如果这些条件判断有一定的规律，可以将其封装成参数化的模块或函数。这样可以提高代码的可读性和可维护性。例如：

module conditional_module #(parameter CONDITION_NUM = 100) (    input [7:0] data_in,    output reg valid);    always @(*) begin        valid = 0;        for (int i = 0; i < CONDITION_NUM; i = i + 1) begin            if (data_in满足特定条件[i]) begin                valid = 1;                break;            end        end    endendmodule

三、使用查找表（LUT）或寄存器数组

如果条件判断的结果可以预先计算并存储在查找表或寄存器数组中，可以在运行时直接查找结果，而不需要进行大量的条件判断。例如：

reg [7:0] lut [0:255];always @(*) begin    lut[input_data]的值决定输出结果;end

四、简化条件判断

检查这些条件判断是否可以简化或合并。有时候，多个条件可能可以合并为一个更简单的条件，从而减少 elseif 的数量。

五、使用优先级编码器

如果条件判断有优先级之分，可以使用优先级编码器来简化代码。优先级编码器可以根据输入的优先级顺序，输出一个编码值，表示最高优先级的输入。例如：

wire [6:0] encoded_value;priority_encoder #(7) encoder (   .in(input_vector),   .out(encoded_value));

always @(*) begin    case (encoded_value)        7'b0000001: output = value1;        7'b0000010: output = value2;        //...    endcaseend