Vers des systèmes de test entièrement définis par logiciel

L’instrumentation définie par logiciel, ou instrumentation virtuelle, s’appuie sur une architecture modulaire qui offre un niveau élevé de reconfigurabilité. Les instruments définis par logiciel sont constitués de matériels d’acquisition/génération modulaires dont les fonctionnalités sont caractérisées via un logiciel défini par l’utilisateur s’exécutant sur un processeur multi-cœur hôte.

Ce modèle de base convient parfaitement à la plupart des applications de test automatisé utilisées à l’heure actuelle, mais les nouvelles technologies et méthodologies de test qui pointent à l’horizon font naître le besoin d’étendre la reconfigurabilité au matériel pour atteindre les performances requises. Le test d’un récepteur RF moderne en est un exemple. En effet, codage/décodage, modulation/démodulation, groupage/dégroupage et d’autres tâches à forte concentration de données sont susceptibles de devoir se produire dans un cycle d’horloge du matériel sous test (DUT). Dans ces cas de figure, l’architecture définie par logiciel doit être suffisamment souple pour intégrer du matériel programmable par l’utilisateur – le plus souvent un FPGA (Field-Programmable Gate Array) – pour introduire l’intelligence nécessaire à l’intérieur de l’instrument. Les instruments programmables par l’utilisateur créent une architecture dans laquelle les données peuvent être manipulées en temps réel sur le FPGA et/ou traitées de manière centrale par le processeur hôte.

En effet, les toutes dernières avancées en R&D concernent tout particulièrement, outre les capacités de mesures RF et de précision, l’exploitation des FPGA et des processeurs multi-cœurs, affirment les ingénieurs de National Instruments. « La possibilité de personnaliser le matériel de mesure lui-même représente une nouvelle grande avancée vers un système de test entièrement défini par logiciel. Dans dix ans, nous nous demanderons comment nous avons pu programmer efficacement des systèmes de test sans cette capacité », affirme Mike Santori, Business and Technology Fellow, NI dans le document « Perspectives du test automatisé » qui présente les atouts et les futurs développements des FPGA.

Les FPGA sont totalement reconfigurables

Les FPGA sont une technologie fondamentale d’une importance majeure car ils allient le meilleur des ASIC et des systèmes basés processeurs. Au niveau le plus élevé, les FPGA sont des circuits en silicium reprogrammables. À l’aide de blocs logiques préconstruits et de ressources de routage programmables, les ingénieurs peuvent configurer ces circuits pour mettre en œuvre des fonctionnalités matérielles personnalisées. Ils peuvent développer des tâches de traitement numérique par logiciel et les compiler sous forme de fichier de configuration ou de flux de bits qui programme les composants FPGA. En outre, les FPGA sont totalement reconfigurables et peuvent adopter instantanément une nouvelle « personnalité », lorsqu’on les recompile avec une nouvelle configuration de circuit.

Programmables par l’utilisateur, les FPGA offrent également une vitesse d’exécution cadencée par matériel, ainsi qu’un déterminisme et une fiabilité élevés. Ils sont véritablement parallèles de sorte que des opérations de traitement différentes ne se trouvent pas en concurrence pour l’utilisation des ressources. Chaque tâche de traitement indépendante a sa propre section dédiée sur le circuit, et peut donc s’exécuter en toute autonomie sans être influencée par les autres blocs logiques. En conséquence de quoi, le fait d’ajouter davantage de traitement n’affecte en rien les performances d’une autre partie de l’application.

De nouveaux outils de conception modifient les règles de la programmation sur FPGA

Alors que l’on trouve des FPGA à l’intérieur des instruments depuis plus de dix ans, les ingénieurs de test y ont rarement eu accès pour y embarquer leurs propres algorithmes. Pour être utiles dans le cadre d’une instrumentation définie par logiciel, les FPGA doivent pouvoir être reprogrammés de manière logicielle par l’ingénieur. En d’autres termes, ils doivent être utilisés pour étendre la programmabilité logicielle au matériel lui-même. Dans le passé, la technologie FPGA n’était accessible qu’aux ingénieurs avec une grande expérience des logiciels de conception de matériel numérique (par exemple, des langages de description du matériel comme Verilog ou VHDL) qui utilisent une syntaxe de bas niveau pour décrire le comportement du matériel. Or, la plupart des ingénieurs ne maîtrisent pas ces outils. Toutefois, l’essor des outils de conception de haut niveau est en train de modifier les règles de la programmation sur FPGA, avec de nouvelles technologies permettant de convertir des diagrammes graphiques ou même du code C en circuits matériels numériques. Ces outils systèmes capables d’abstraire les détails de la programmation sur FPGA peuvent combler cette lacune.

De toute évidence, il y a des avantages à effectuer différents types de traitement sur un processeur hôte au lieu d’un FPGA. Par exemple, un FPGA convient généralement à l’analyse en ligne comme de simples décimations sur des E/S point à point, tandis qu’une modulation complexe peut atteindre de meilleures performances en s’exécutant sur un processeur multicœur en raison du grand nombre de calculs en virgule flottante nécessaires. La solution idéale pour le développement d’un système de test défini par logiciel est un seul et même environnement de conception graphique de systèmes permettant de segmenter rapidement le traitement sur l’hôte ou sur un FPGA pour voir lequel des deux offre les meilleures performances.

L’instrumentation à base de FPGA : un véritable potentiel pour de nombreux secteurs

Cette nouvelle architecture définie par logiciel permet de faire face aux problèmes de certaines applications qu’il est impossible de résoudre en suivant les méthodes traditionnelles, comme c’est le cas avec l’exemple précédent qui nécessite une prise de décision temps réel par l’hôte pour tester correctement le matériel. En revanche, les ingénieurs peuvent entièrement déployer l’intelligence dans le FPGA embarqué sur l’instrument pour des informations de type réussite/échec. C’est souvent le seul moyen d’offrir le niveau de cadencement et déterminisme requis par le matériel sous test. Pour illustrer ce type de matériels, citons les tags RFID, la mémoire, les microcontrôleurs et les unités de commande électroniques (ECU). Pour certaines applications, les ingénieurs assurent la communication via un protocole, avec ou sans fil, qui nécessite une couche significative de codage et décodage avant de prendre une décision.

Les instruments reconfigurables vont continuer de s’étendre à davantage d’applications courantes à mesure que les ingénieurs de test continuent de rechercher des façons créatives pour réduire les temps de test et les coûts du système. Prenons, par exemple, un numériseur qui intègre un FPGA en ligne avec un convertisseur analogique/numérique. Un ingénieur peut déployer des fonctions vers le FPGA telles que le filtrage, la détection de pics, les transformées de Fourier rapides ou le déclenchement numérique. Les données ne sont pas toutes créées d’égale manière, mais un numériseur basé FPGA peut prendre des décisions rapides concernant celles qui n’ont aucune valeur et peuvent être supprimées et celles qui présentent un intérêt. En fin de compte, cela peut réduire les temps de mesure de manière substantielle. Les ingénieurs de test dans l’industrie de la défense et de l’aérospatiale ont été les pionniers de l’adoption de l’instrumentation à base de FPGA au travers de leurs initiatives relatives aux instruments synthétiques, mais cette technologie présente également un véritable potentiel pour les applications dans les secteurs des télécommunications, de l’automobile, des dispositifs médicaux et de l’électronique grand public. 

Par Marc Chabreuil