FPGA軟件靜態(tài)質(zhì)量度量?

李晨陽(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所 成都 610036）

FPGA軟件靜態(tài)質(zhì)量度量?

李晨陽(yáng)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所 成都 610036）

針對(duì)FPGA軟件質(zhì)量依靠商業(yè)工具評(píng)價(jià)不足現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)軟件代碼靜態(tài)質(zhì)量度量模型研究，結(jié)合FPGA軟件自身特性，提出了FPGA軟件靜態(tài)質(zhì)量度量新方法，以量化數(shù)據(jù)表示代碼質(zhì)量水平，給出評(píng)價(jià)算法和評(píng)價(jià)流程，并對(duì)商業(yè)工具Alint質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，運(yùn)用于實(shí)際案例分析中。測(cè)試結(jié)果表明，新的度量方法能夠有效地對(duì)軟件靜態(tài)質(zhì)量進(jìn)行度量，為評(píng)價(jià)FPGA軟件質(zhì)量水平提供了一條新的驗(yàn)證途徑，減少了軟件質(zhì)量評(píng)價(jià)中的主觀性。

FPGA軟件；靜態(tài)質(zhì)量；度量元；規(guī)則集；加權(quán)

1 引言

隨著FPGA在軍事、航空航天等領(lǐng)域越來(lái)越廣泛而重要的應(yīng)用，對(duì)FPGA軟件測(cè)試受到越來(lái)越多的行業(yè)重視和研究。在FPGA軟件生命周期模型中，代碼檢查是測(cè)試的第一道門戶，這道門戶檢查質(zhì)量的好壞不僅對(duì)代碼本身質(zhì)量帶來(lái)影響，而且對(duì)后續(xù)工作會(huì)產(chǎn)生很大影響，后續(xù)各個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)反饋回代碼本身，產(chǎn)生反復(fù)的迭代工作。目前代碼檢查質(zhì)量度量通常的做法是采用軟件的代碼質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有失公平且過(guò)于粗糙化；其次采用第三方驗(yàn)證廠商提供的驗(yàn)證工具對(duì)代碼質(zhì)量度量評(píng)價(jià)系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中指導(dǎo)意義不大。隨著行業(yè)內(nèi)FPGA軟件測(cè)試質(zhì)量的逐漸重視和強(qiáng)烈要求，也希望有一套科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄈピu(píng)價(jià)軟件質(zhì)量。因此，為了真實(shí)地反映出FPGA軟件的質(zhì)量，迫切需要提出一種能夠?qū)PGA軟件進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)的新方法。正是以此為目的而開(kāi)展研究，基于FPGA軟件檢查，通過(guò)理論分析研究和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，建立FPGA軟件質(zhì)量度量評(píng)價(jià)模型，提出度量評(píng)價(jià)流程、度量元分類、度量元加權(quán)系數(shù)計(jì)算、度量計(jì)算方法、評(píng)價(jià)規(guī)則和實(shí)際運(yùn)用，最后舉例證明方法的有效性。

2 傳統(tǒng)FPGA軟件質(zhì)量度量模型

一直以來(lái)FPGA軟件靜態(tài)質(zhì)量度量主要是采用軟件的代碼質(zhì)量度量方法去評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果。國(guó)內(nèi)西安電子科技大學(xué)邸博士提出了一種以復(fù)雜度為導(dǎo)向的FPGA源代碼抽象方法進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估［1］，德國(guó)Dresden實(shí)驗(yàn)室從IP核的角度提出了一種FP?GA軟件評(píng)價(jià)方法［2］，盡管取得一定研究成果，但普遍性指導(dǎo)意義不強(qiáng)。業(yè)內(nèi)主流驗(yàn)證工具Alint提供了一個(gè)質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)，但內(nèi)容劃分簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中指導(dǎo)意義不大。

GJB 16260標(biāo)準(zhǔn)中定義了軟件的外部、內(nèi)部和使用質(zhì)量的三種質(zhì)量模型，根據(jù)該規(guī)定，可靠性的依從性度量目的是遵循與產(chǎn)品的可靠性適用的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和約定的程度如何，是對(duì)要求的依從性已經(jīng)滿足的項(xiàng)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，與要求的項(xiàng)數(shù)進(jìn)行比較［3］，那么代碼質(zhì)量評(píng)價(jià)計(jì)算方式如下。

式中：A為在測(cè)試中規(guī)定的可靠性的依從性還未完全實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)數(shù)；B為規(guī)定的可靠性的依從性項(xiàng)總數(shù)。

式（1）表明，A為所發(fā)生的缺陷數(shù)，B為所要求的依從數(shù)量。當(dāng)A越大，則X越小，越接近于0，則表明越差；反之，當(dāng)A越小，則X越大，越接近于1，則表明越好。使用這種方法來(lái)評(píng)價(jià)FPGA軟件質(zhì)量，具有簡(jiǎn)單直接，但缺少了考慮FPGA軟件度量元差異性帶來(lái)的影響，也未反映出FPGA軟件度量元數(shù)量等因素所產(chǎn)生的影響。

3 新的FPGA軟件質(zhì)量度量模型

新的模型處理方法將避免傳統(tǒng)一刀切的處理方式，通過(guò)嚴(yán)格設(shè)定度量元及其度量元加權(quán)系數(shù)計(jì)算，建立一套行之有效的計(jì)算方法和評(píng)價(jià)機(jī)制。

3.1 FPGA軟件質(zhì)量度量評(píng)價(jià)流程

為了能夠客觀地評(píng)價(jià)檢查結(jié)果的質(zhì)量，評(píng)價(jià)流程需要分為“三步走”［4］。第 1步：分析評(píng)價(jià)違反的度量元組成類型，提取相關(guān)加權(quán)系數(shù)，確定評(píng)價(jià)度量元的數(shù)量；第2步：按照公式計(jì)算出違反的度量元與規(guī)定的度量元比分；第3步：根據(jù)公式和評(píng)價(jià)規(guī)則，給出評(píng)價(jià)結(jié)果。整個(gè)評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

三步走包含了分析、計(jì)算和評(píng)價(jià)三個(gè)過(guò)程，評(píng)價(jià)流程中更加注重度量元的分析計(jì)算，不同于傳統(tǒng)的FPGA軟件質(zhì)量度量評(píng)價(jià)過(guò)程，新的流程將對(duì)該工具進(jìn)行改造，并給出最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖1 FPGA軟件靜態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)流程

3.2 FPGA軟件度量元分類

FPGA軟件質(zhì)量的好壞取決于規(guī)則集的制定，不同的規(guī)則集對(duì)檢查代碼的質(zhì)量影響不同。因此，度量元是選取規(guī)則集及其包含的規(guī)則。FPGA軟件包含VHDL和Verilog兩種語(yǔ)言，對(duì)應(yīng)規(guī)則分為VH?DL和Verilog兩種，但通常設(shè)計(jì)都是采用兩者混合語(yǔ)言使用，因此，度量元將兩者規(guī)則集混合起來(lái)統(tǒng)計(jì)。

目前，行業(yè)內(nèi)的規(guī)則集主要分為三類，首先是外國(guó)的DO-254、STARC、RMM等規(guī)則集，其次是第三方廠商提供，如 Aldec、Mentor、Synopsys、Xilinx、Altera等國(guó)外公司，最后是國(guó)內(nèi)的一些單位以及個(gè)人等整理或者定制的編碼規(guī)則集。具體分類如表1所示。

表1 FPGA軟件規(guī)則集分類

總結(jié)分析，F(xiàn)PGA軟件的度量元選取主要涉及到安全性設(shè)計(jì)、可綜合性設(shè)計(jì)、基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、IP核設(shè)計(jì)和自定義設(shè)計(jì)等。具體分類情況如表2所示。

表2 FPGA軟件度量元分類

3.3 FPGA軟件度量元加權(quán)系數(shù)計(jì)算

由于FPGA軟件選取度量元的每個(gè)成員函數(shù)的準(zhǔn)則值對(duì)所屬類準(zhǔn)則值的影響權(quán)重不相同，依據(jù)對(duì)質(zhì)量影響的嚴(yán)重程度按照缺陷嚴(yán)重性等級(jí)的不同而進(jìn)行不同的加權(quán)比，同時(shí)每個(gè)度量元缺陷發(fā)生的數(shù)量多少也會(huì)影響評(píng)價(jià)效果，加權(quán)的計(jì)算要和自身規(guī)則的影響程度符合，根據(jù)GJB 2423A的故障統(tǒng)計(jì)次數(shù)計(jì)算［5］，那么式（1）中的缺陷總數(shù) A為

式中：pj為某類缺陷的加權(quán)系數(shù)；rj為某類缺陷發(fā)生的次數(shù)；j為缺陷類型；n為缺陷類型數(shù)。

其中，確定加權(quán)系數(shù)的原則，在GJB 2423A中描述，對(duì)缺陷進(jìn)行分類、定級(jí)，分析缺陷的原因、潛在的影響及對(duì)人員的危害性，對(duì)實(shí)現(xiàn)功能的影響程度等。根據(jù)影響程度結(jié)合文獻(xiàn)［2］和其他相關(guān)文獻(xiàn)［6～7］，對(duì)FPGA軟件度量元進(jìn)行分類加權(quán)，加權(quán)情況如表3～6所示。

表3 Ⅰ類規(guī)則度量元加權(quán)表

表4 Ⅱ類規(guī)則度量元加權(quán)表

表5 Ⅲ類規(guī)則度量元加權(quán)表

表6 Ⅳ和Ⅴ類規(guī)則度量元加權(quán)表

表3～6分別對(duì)FPGA軟件評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的度量元在五個(gè)類別的基礎(chǔ)上再次細(xì)分，評(píng)價(jià)準(zhǔn)則分別包含類別、次數(shù)、權(quán)重和分?jǐn)?shù)。次數(shù)0|1表示分配數(shù)選取是0和1，次數(shù)0…4表示分配數(shù)選取是0～4之間。在本文中，其權(quán)重表明度量元在軟件評(píng)測(cè)中所占的比重，對(duì)軟件代碼質(zhì)量影響大且與其它度量元相差大的則賦予較大的數(shù)值。

其中，安全性規(guī)則主要涉及對(duì)設(shè)計(jì)起著重要作用且影響嚴(yán)重程度最高的規(guī)則集，分配比分最高。亞穩(wěn)態(tài)是FPGA軟件中典型的缺陷，是首要查找的缺陷，只要有異步元件存在，亞穩(wěn)態(tài)就無(wú)法避免；其次，復(fù)位電路是FPGA軟件中最核心的組成部分之一，設(shè)計(jì)中的任何一個(gè)邏輯單元都必須要附加復(fù)位邏輯電路，以保證電路能夠從錯(cuò)誤狀態(tài)中恢復(fù)，可靠地工作［8］；其他規(guī)則都按照影響程度不同做了不同的加權(quán)。盡管加權(quán)帶有一定的主觀性，但加權(quán)都是在總結(jié)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和參考其他文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上客觀地反應(yīng)出每個(gè)規(guī)則對(duì)FPGA軟件的安全性、設(shè)計(jì)性、可綜合性和可移植性帶來(lái)的影響程度。

3.4 FPGA軟件度量計(jì)算方法

依據(jù)表3～6，將式（2）代入式（1），那么最終FP?GA軟件質(zhì)量度量方法是：

式（3）表明，當(dāng)隨著缺陷次數(shù)rj、權(quán)重 pj和缺陷類型數(shù)n值各自增大時(shí)，則評(píng)價(jià)值X越小，表明質(zhì)量越壞；反之，當(dāng)隨著缺陷次數(shù)rj、權(quán)重 pj和缺陷類型數(shù)n值各自減小時(shí)，則評(píng)價(jià)值X越大，表明質(zhì)量越好［9］。

3.5 FPGA軟件度量評(píng)價(jià)

在GJB 5236中有過(guò)描述，用于質(zhì)量需求度量的測(cè)量標(biāo)度可以根據(jù)需求將測(cè)量度分為三個(gè)級(jí)別：達(dá)到目標(biāo)（良好）、最低可接受（合格）和不可接受（不合格），至于在何種程度加以評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出明確規(guī)定。那么根據(jù)FPGA軟件度量具有歸一化的處理特性，因此定義FPGA軟件質(zhì)量度量值X評(píng)價(jià)規(guī)則如下：

當(dāng) X＞0.8，認(rèn)為良好；

當(dāng)0.5＜X≤0.8，認(rèn)為合格；

當(dāng) X≤0.5，認(rèn)為不合格。

代碼質(zhì)量度量評(píng)價(jià)問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)多目標(biāo)決策問(wèn)題，在處理多目標(biāo)問(wèn)題時(shí)，往往要考慮各目標(biāo)的相對(duì)重要性［10］。最后，代碼質(zhì)量評(píng)價(jià)還需求經(jīng)過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)證明才是有用，只有這樣，我們才能確保使用的評(píng)價(jià)方法和實(shí)際需求是一致。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

以某工程的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理兩類FPGA軟件測(cè)試為例，被評(píng)的兩類軟件度量元取數(shù)都為66個(gè)。測(cè)試人員對(duì)類1軟件進(jìn)行了編碼規(guī)則檢查，共發(fā)現(xiàn)缺陷7個(gè)（其中致命缺陷0個(gè)，嚴(yán)重缺陷1個(gè)，一般缺陷4個(gè)，建議改進(jìn)2個(gè)）。測(cè)試人員對(duì)類2軟件進(jìn)行了編碼規(guī)則檢查，共發(fā)現(xiàn)缺陷9個(gè)（其中致命缺陷0個(gè)，嚴(yán)重缺陷0個(gè)，一般缺陷5個(gè)，建議改進(jìn)4個(gè)）。具體類1和類2違反的規(guī)則情況如表7和表8所示。

表7 類1軟件FPGA軟件度量元分類加權(quán)評(píng)價(jià)

表8 類2軟件FPGA軟件度量元分類加權(quán)評(píng)價(jià)

根據(jù)式（2）和式（3）的計(jì)算的比分?jǐn)?shù)值，結(jié)合改造后工具Alint自動(dòng)分析的結(jié)果，類1和類2代碼評(píng)價(jià)后的結(jié)果如下表9所示。

表9 類1和類2代碼的評(píng)價(jià)結(jié)果

從表9中可以看出，被評(píng)軟件中軟件類1評(píng)分結(jié)果為0.78，達(dá)到了合格水平，軟件類2評(píng)分結(jié)果為0.81，達(dá)到了良好水平?？傮w上看，類1的安全性較差，可綜合性和基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)較好，而類2的安全性較好，可綜合性和基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)較差。經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)做人工分析，從安全性的影響嚴(yán)重程度上可以看出評(píng)價(jià)的結(jié)果和新設(shè)計(jì)的計(jì)算準(zhǔn)則是基本吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

目前FPGA軟件代碼靜態(tài)質(zhì)量度量中存在手段缺乏，不能有效滿足實(shí)際工程需要的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，提出了新的代碼靜態(tài)質(zhì)量度量方法，結(jié)合通用的軟件質(zhì)量模型，分析度量元與加權(quán)系數(shù)，給出評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)規(guī)則和評(píng)價(jià)流程，并對(duì)商業(yè)工具Alint做了改造，最后通過(guò)實(shí)例對(duì)方法進(jìn)行了有效驗(yàn)證，為FPGA軟件測(cè)試的代碼靜態(tài)度量建立了一套有效的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)需求經(jīng)過(guò)實(shí)踐不斷驗(yàn)證和不斷的改良，評(píng)價(jià)度量元和加權(quán)系數(shù)也是需要在實(shí)踐中不斷驗(yàn)證而修改和補(bǔ)充。

［1］邸志雄.HDL代碼質(zhì)量評(píng)估方法關(guān)鍵技術(shù)研究與電路性能優(yōu)化［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2013.DI Zhixiong.Research on key techniques and circuit per?formance optimization of HDL code quality assessment method［D］.Xi'an：Xi'an Electronic and Science Universi?ty，2013.

［2］Ronny F，Steffen R，Torsten S，et al.Use of HDL code checkers to support the IP entrance check-a requirement analysis［C］//Proceedings of the Euromicro Symposium on Digital System Design，IEEE，2002：364-370.

［3］中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所.軟件工程產(chǎn)品質(zhì)量：第3部分 內(nèi)部度量：GB/T 16260.3-2006［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2006：5.China Electronic Technology Standardization Research In?stitute.software engineering product quality：Part 3 Inter?nal metrics：GB/T 16260.3-2006［S］.Beijing：China Stan?dardization press，2006：5.

［4］Ali I，Karima M，Alain A.On the Use of Software Quality Standard ISO_IEC9126 in Mobile Environments［C］//20th Asia-Pacific Software Engineering Conference，IEEE，2013：1-8.

［5］中國(guó)人民解放軍總裝備部司令部.榴彈發(fā)射器定型試驗(yàn)規(guī)程：GJB 2423A-2009［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2009：44.General Armament Department of the people's Liberation Army.Test procedures for setting the grenade launcher：GJB 2423A-2009［S］.Beijing：China Standardization press，2009：44.

［6］張雁，林英，王紅菘.面向?qū)ο筌浖攘康难芯浚跩］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009，37（3）：117-119.ZHANG Yan，LIN Ying，WANG Hongsong.The research object-oriented software metrics［J］.Computer and Digital Engineering，2009，37（3）：117-119.

［7］中國(guó)人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部.軍用軟件安全性設(shè)計(jì)指南：GJB/Z 102A-2012［S］.北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2012.General Armament Department of the Chinese people's Liberation Army.Military software security design guide：GJB/Z 102A-2012［S］.BeiJing：The General Armament Department military standard publishig department，2012.

［8］吳繼華.設(shè)計(jì)與驗(yàn)證Verilog HDL［M］.北京：人民郵電出版社出版，2006：77-81.WU Jihua.Design and verification Verilog HDL［M］.Bei?jing：People post and Telecommunications Press，2006：77-81.

［9］中國(guó)人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部.軍用軟件質(zhì)量度量：GJB 5236-2004［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化出版社，2004：4-5.General Armament Department of the Chinese people's Liberation Army.Military software quality metrics：GJB 5236-2004［S］.Beijing：China Standardization press，2004：4-5.

［10］孫夢(mèng)，宋曉秋，巢翌.軟件程序代碼質(zhì)量度量技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2016，27（2）：325-327.SUN Meng，SONG Xiaoqiu，CHAO Yi.Quality measure?ment technology research in software［J］.Computer Engi?neering and Design，2016，27（2）：325-327.

Static Quality Measurement of FPGA Software

LI Chenyang
（China Electronic Technology Group Corporation Tenth Research Institute，Chengdu 610036）

Lacking for efficiently evaluating FPGA software quality in use business tool，based on the study of software static quality evaluation models，the characteristic of FPGA software structure，a static quality evaluation method is proposed for software，and the evaluation results are expressed by quantitative data and presented by evaluating arithmeticand evaluating flow，and reform to the business tool Alint quantity evaluation system，then it is used in actual case.Experiment result shows the proposed method can evaluate software static quality efficiently，and indicate a newpath for evaluating the quality level of FPGA software，and then the subjectivity during software evaluation can be reduced.

FPGA software，static quality，metrics，rule set，weight

Class Number TP312

TP312

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.047

2017年6月5日，

2017年7月24日

李晨陽(yáng)，男，碩士，工程師，研究方向：FPGA軟件測(cè)試、數(shù)字信號(hào)處理。