電子硬件概覽

• FET：場效應晶體管
• FET是場效應晶體管，它通過控制柵極電壓來控制源極和漏極之間的電流，從而實現邏輯功能。
• CMOS：硅基互補金屬氧化物半導體晶體管
• CMOS是互補金屬氧化物半導體晶體管，它是一種基于硅基材料的半導體器件，具有高速度、低功耗、高集成度等優點。
• 摩爾定律已經失效，正在尋找“超越摩爾”的技術
• 為了超越摩爾定律，人們正在探索新的技術，如三維集成、柔性電子、生物電子等。

一、數字邏輯

數字邏輯是處理數字信號的邏輯，實質上是指基于二進制數學或布爾代數的邏輯。指用數字表示數字電路的信號和序列。

• 1、二進制邏輯：正電壓表示為邏輯1、高、真(true)；無電壓表示為邏輯0、低、假(false)
• 2、數字邏輯門：

• 3、時序電路：現代數字邏輯電路分為組合邏輯和順序邏輯（有存儲功能）
• ①時序電路元件：觸發器（鎖存器），D型、T型（反轉）、JK型
• ②計時參數：設置時間、保持時間、傳輸延遲

學習資料：數電基礎：時序邏輯電路[1]

二、ASIC 和 FPGA

• 1、ASIC(Application - Specific Integrated Circuit）專用集成電路

為特定用途制造的集成電路，性能高、功能復雜、功率消耗低、單元較小、單位成本低，但開發周期長、設計流復雜、初始成本高、偶發成本高，在大批量生產上具有優勢

• 2、FPGA(Field-Programmable Gate Array）現場可編程門陣列

對已制造完成的芯片進行配置的集成電路， 由一組可編程的邏輯塊和可重構連接器構成，是現場可編程的 。邏輯塊可通過重新配置連接器進行連接，配置不同的功能。其靈活、上市時間快、設計簡單、可升級而不改變硬件，但功率消耗高、性能中等、單元成本高、資源浪費。在中等批量的生產上具有優勢。

還可以用來搭建原型驗證平臺。

三、印制電路板（PCB - Printed Circuit Board )

• 1、PCB的設計流程：
• 前期準備： 這包括準備元件庫和原理圖。在進行PCB設計之前，首先要準備好原理圖SCH的元件庫和PCB的元件庫。元件庫可以用peotel 自帶的庫，但一般情況下很難找到合適的，最好是自己根據所選器件的標準尺寸資料自己做元件庫。原則上先做PCB的元件庫，再做SCH的元件庫。PCB的元件庫要求較高，它直接影響板子的安裝；SCH的元件庫要求相對比較松，只要注意定義好管腳屬性和與PCB元件的對應關系就行。注意標準庫中的隱藏管腳。之后就是原理圖的設計，做好后就準備開始做PCB設計了。
• PCB結構設計： 這一步根據已經確定的電路板尺寸和各項機械定位，在PCB 設計環境下進行設計。
• PCB布局： 這主要是指在PCB板上放置元器件的位置。布線：是指根據已經設計的PCB布局，通過具體的連接方式將元器件連接起來。
• 布線優化和絲印： 主要是對已經完成的布線進行優化，比如調整走線的角度、長度等，以及添加絲印等。
• 網絡和DRC檢查和結構檢查： 這是指對已經完成的PCB設計進行網絡檢查和結構檢查，以確保其滿足設計要求。
• 制版： 是指將設計好的PCB圖紙送到工廠進行制作，制作完成后進行測試和驗收。
• 2、PCB生產流程：輪廓、創建銅線路、鉆孔、焊上元件、Gerber文件 有點意思：電路板廠之PCB制作工藝過程展示！（動圖講解）[2]
• 基材準備： 選擇合適的基材，通常是玻璃纖維增強的環氧樹脂（FR-4），進行切割和平整處理。
• 表面處理： 在基材表面進行清潔、去氧化和化學處理，以增強粘附性能。
• 涂覆銅箔： 在基材上涂覆一層銅箔，形成導電層。
• 圖形化蝕刻： 將Gerber文件的圖形信息通過光刻技術轉移到涂覆的銅箔上，并使用化學溶液蝕刻掉未受保護的部分。
• 孔位鉆孔： 根據設計需要，在板上鉆孔，形成連接電路和安裝孔位。
• 金屬化處理： 在鉆孔后，對板面進行金屬化處理，以增強電路連通性。
• 追蹤線路： 在板上涂覆保護層，并通過蝕刻或化學方法形成所需的導線路徑和連接。
• 表面處理： 根據要求，在PCB表面進行阻焊涂覆和表面處理，以保護電路和增強焊接性能。

四、嵌入式系統

基于微處理器或微控制器的系統， 為特定功能而設計 。微控制器是一個整體，包括 CPU。其搭載的軟件通常需要工作在內存較少的簡單環境中。

五、硬件-固件-軟件交互

• 硬件是計算機系統的物理部分 ，包括中央處理器（CPU）、內存、硬盤、基本輸入輸出系統（BIOS）等。
• 固件負責在硬件和軟件之間建立通信 ， 并管理計算機的基本功能 。它通常被存儲在只讀存儲器（ROM）或可編程只讀存儲器（PROM）中。
• 軟件是計算機系統的非物質部分，包括操作系統、編譯器和應用程序等 。操作系統負責管理計算機的資源，編譯器負責將源代碼轉換為機器代碼，而應用程序則為用戶提供特定的功能。

在硬件、固件和軟件的交互中， 固件會與硬件進行通信，將硬件的狀態和信息提供給操作系統和編譯器 。

而操作系統則會根據固件提供的信息，管理硬件資源，并向應用程序提供服務。

編譯器則將應用程序的源代碼轉換為機器代碼，以便操作系統能夠執行。

計算機固件根據所在設備的不同可以分為多種類型，最常見的有主板固件、顯卡固件、鼠標鍵盤固件等。每一種固件都具有自己獨特的功能和操作方式。

固件作為硬件的控制程序，起到了以下幾個重要作用：

• 啟動系統：固件負責電腦的啟動過程，可以加載操作系統，進行初始化設置和硬件自檢等操作。
• 管理硬件：固件可以管理電腦硬件的工作狀態，包括電源管理、溫度監控、風扇轉速控制等。
• 支持擴展設備：固件可以支持新設備的接入和識別，保證硬件的兼容性和穩定性。
• 升級與維護：固件可以進行升級和修復，提供新功能和修復已知問題，提高硬件的性能和穩定性。

片上系統的設計與測試

本章講述 SoC 的設計流程、SoC 測試驗證的流程和原理

在設計VLSI（超大規模集成電路）時，會設定一個時序裕度，保證芯片的穩定運行。但IC上的門密度和設計復雜度在不斷增加，在納米尺度的制造工藝下將可能引入更多制造缺陷。因此， 驗證測試和制造過程的正確性變得越來越重要 。

一、基于 IP 的 SoC 生命周期

SoC（system on chip）片上系統 是一個包含給定系統所需所有元件的集成電路，通常包括模擬、數字和混合信號IP核心。

1、SoC的生命周期 ：

• 設計階段： 在這個階段，制定設計規范，隨后將所有IP內核集成，并植入DFT結構，生成網表和GDSII格式文件。這個階段需要經過詳細的規劃和測試，以確保設計的正確性和性能。
• 制造階段： 在制造階段，將在晶圓片上進行光刻和化學處理，以制造出芯片。這個階段需要使用精密的設備和工藝，以生產出高質量的產品。
• 裝配階段： 即IC封裝，裝上外殼，并提供電氣連接和散熱的熱路徑，以保護芯片。這個階段需要使用先進的封裝技術，以確保芯片能夠正常工作并得到良好的保護。
• 發行階段： 在發行階段，產品將被分銷到各個銷售渠道，供消費者購買和使用。這個階段需要制定市場策略和銷售計劃，以促進產品的銷售和推廣。
• 系統集成階段： 在系統集成階段，與多個器件一同集成為一個系統。這個階段需要考慮如何將各個功能模塊集成在一起，以實現系統的完整性和穩定性。
• 退役階段： 在退役階段，產品將不再被生產和銷售，并逐漸退出市場。這個階段需要進行產品的清理和回收，以保護環境和資源。

在整個SoC的生命周期中，需要不斷地進行優化和改進，以提高產品的性能、降低成本并滿足市場需求。同時，也需要不斷地更新技術，以保持公司的競爭力和市場地位。

2、SoC的設計流程：

SoC 技術設計系統芯片，一般先要進行軟硬件劃分，將設計基本分為兩部分： 芯片硬件設計和軟件協同設計 。

芯片硬件設計包括：

• ①制訂設計規范，并指定一個IP列表實現既定規范。（3PIP的購買：軟IP核以HDL交付；硬IP核以GDSII交付；固定IP核使用通用庫交付。
• ②將所有IP集成，加入DFT結構，生成RTL描述（完整的系統級數字電路描述）和網表。
• ③門級網表被轉換為基于邏輯單元格和I/O幾何圖形的物理布局
• ④進行測試，測試完畢后，發往代工廠進行制造

二、SoC 的驗證測試流程

驗證階段又稱硅前驗證 ，即在流片前確保從設計規范到網表的功能正確和正確轉換的過程；

測試階段 ，是流片后的制造測試和生產測試的過程。

• IP 驗證 IP 是任何 SoC 的基本構建塊。因此，IP驗證需要詳盡的白盒驗證，這需要形式驗證和隨機模擬等方法，特別是對于處理器IP，因為一切都是由它們作為任何SoC的核心組件啟動和驅動的。下圖 顯示了我們如何通過基于 SystemVerilog 的 UVM TB 的詳盡隨機模擬來驗證處理器 IP。所有處理器指令都可以使用各種隨機值進行模擬，從而生成功能、斷言和代碼覆蓋率。我們使用覆蓋范圍來衡量驗證的進度和質量，然后進行最終的驗證簽核 IP 級驗證要求在 HVL 編程、正式和動態 ABV、仿真調試以及使用 VIP 和 EDA 工具方面具備良好的專業知識。
• ABV- 基于斷言的驗證，VIP – 驗證 IP
• UVM-通用驗證方法 UVC-UVM 驗證組件
• BFM總線功能模型VIP驗證IP RAL寄存器抽象層

• 子系統驗證 子系統主要由預驗證的IP和一些新建的IP組成，例如特定于芯片的網橋和系統控制器。圖 顯示了我們如何從子系統構建 SoC，該子系統使用 AMBA 等片上總線集成了所有必要的接口 IP、網橋和系統控制器。在這種情況下，我們更喜歡基于模擬的灰盒驗證，特別是使用驗證IP的隨機模擬。所有VIP，如AXI，AHB，APB，GPIO，UART，SPI和I2C UVC [UVM驗證組件]都將配置并與各自的接口連接。如圖所示，我們創建了其他 TB 組件，如參考模型、記分板和 UVM RAL，以使驗證環境自檢。我們在頂層執行各種VIP UVM序列，驗證數據流，并測量總線的性能。

• SoC驗證 SoC主要由預先驗證的第三方IP和一些內部IP組成。通常，我們更喜歡使用硬件仿真或模擬（simulation/emulation）技術進行黑盒驗證，以進行SoC級驗證。例如，您可能會遇到復雜的 SoC 驗證環境，如下圖 所示。SoC測試平臺[TB]將具有各種測試平臺組件，如標準UVM驗證IP[USB /藍牙/WiFi和標準接口]，帶有UVM包裝器的傳統HDL TB組件[JTAG Agent]，自定義UVM代理[固件代理]，以及一些顯示器，以及記分牌和SystemC / C / C++功能模型。在這種情況下，您將不得不在芯片級別處理固件和UVM序列。作為驗證工程師，您需要知道如何使用標準 VIP、傳統 HDL BVM 和固件代碼實現這種混合驗證環境，更重要的是，了解如何使用 EDA 工具自動執行simulation/emulation。

深入一下：SoC Verification Flow and Methodologies[3]

1、SoC的驗證流程

• ①對 IP進行單獨驗證 。
• ② 基于接口協議 ，對芯片中各塊接口進行驗證
• ③ 系統級驗證 ，通過 仿真軟件進行硬件和軟件的驗證 。分別進行功能驗證和結構驗證。
• ④對IC的物理布局進行驗證。驗證完成。

2、SoC的測試流程

• ①晶圓測試，為晶圓提供電氣刺激進行測試
• ② 識別制造缺陷或故障 ，使用自動測試模式生成工具ATPG
• ③對芯片進行表征，找出芯片的理想工作參數
• ④功能測試和結構測試
• ⑤封裝模具的老化應力測試

三、調試性設計

SoC調試，即硅后驗證，在第一個硅制造后進行 。調試支持由 芯片上的調試性設計架構和軟件組成 。其策略是 將接入點放置在系統中 ，由它的接口獲得和控制芯片內部信號。

電子系統中有三種元件需要測試：數字邏輯、內存塊、模擬或混合信號電路。制造測試成本主要取決于測試數據的數量和測試時間

ATPG 掃描測試（又叫ATPG）。scan path。與邊界掃描測試的區別，是內部移位寄存器實現的測試數據輸入輸出。測試目標是std-logic，即標準單元庫。（掃描測試和邊界掃描，不是一個概念。需要區別對待。內部的觸發器，全部要使用帶SCAN功能的觸發器類型。）

Boundary scan Boundary scan：邊界掃描測試；boundary scan test。測試目標是IO-PAD，利用jtag接口互連以方便測試。（jtag接口，實現不同芯片之間的互連。這樣可以形成整個系統的可測試性設計。）

Lbist Lbist：LBIST 是一種內置自測 (BIST) 形式，其中芯片內部的邏輯可以在芯片本身上進行測試，而無需任何昂貴的自動測試設備 (ATE)。BIST 引擎內置于芯片內部，只需要像測試訪問端口 (TAP) 這樣的訪問機制即可啟動。Lbist的組成部分 片上lbist一般由三部分組成：BIST controller、TPG (Test Pattern Generator)、RA (Response Analyzer)。

mbist mbist：內建自測試BIST；（模擬IP的關鍵功能，可以開發BIST設計。一般情況，BIST造成系統復雜度大大增加。memory IP一般自帶BIST，簡稱MBIST）

loading board loading board：LOAD BOARD通常用于測試半導體器件的電氣特性，例如電流、電壓、功率等。它是連接測試設備和被測試芯片的橋梁，通常包括一些接口，例如引腳插座、測試點和電源接口等。LOAD BOARD的設計必須與被測試器件的引腳布局相匹配，以確保測試結果的準確性和可重復性。

BURN IN BOARD BURN IN BOARD則用于加速半導體器件的老化過程，以檢測器件在長期使用中的可靠性。它通常包括一個溫度控制系統，用于控制被測試器件的環境溫度。BURN IN BOARD還可以模擬真實世界的使用條件，例如高溫、低溫、高壓和高濕等。因此，LOAD BOARD和BURN IN BOARD的主要區別在于它們的用途。LOAD BOARD主要用于測試器件的電氣特性，而BURN IN BOARD則用于測試器件在長期使用中的可靠性。

1、DFT調試技術概覽

• ①掃描：對所有在掃描設計中的存儲元件進行訪問和控制。
• ②掃描觸發器（SFF）：性能開銷低，但速度慢
• ③掃描鏈：將掃描觸發器連成一串，然后將掃描值與SO值（掃描輸出值）進行比較
• ④掃描測試壓縮：利用少量的測試的重要值來減少測試數據和測試時間
• ⑤邊界掃描：邊界掃描技術利用邊界掃描鏈，在芯片內部的信號線上插入測試信號，從而實現對芯片內部電路的測試和診斷。有效降低了PCB制造成本。

2、全速延遲測試

用于檢測計時相關故障的方法

• ①故障類型：轉換故障（慢升和慢降造成的延遲），路徑延遲故障（路徑上的累計延遲）
• ②兩種方法：LOS和LOC

印制電路板 ：設計與測試

本章講述 PCB 的歷史、生命周期、設計驗證、裝配流程

印制電路板PCB是基于基地結構的非導電板，為電路電氣元件提供電氣連接和機械支撐。

一、PCB 的歷史

在PCB量產前，通常使用點對點的飛線連接；

早期PCB是在電路板材料上鉆孔，并在孔中植入黃銅。

20世紀20年代，PCB誕生，申請了第一個專利；

20世紀30年代到40年代，PCB在二戰中得到廣泛運用；

20世紀50年代，發明了酸刻蝕銅金屬電路板的方法；

20世紀80年代，表面貼裝技術（Surface Mount Technology，SMT）的發展在1980年代引入了新的PCB制造和組裝方法；

現代，三維PCB、柔性PCB。

二、PCB 的生命周期

PCB的生命周期與SoC的生命周期類似

設計規范->PCB設計->PCB原理圖->PCB布局->制造和裝配->檢測驗證

三、PCB 的設計驗證

惡意攻擊者可以利用當今復炸而高度集成的PCB設計， 借助隱藏孔或無源嵌入式元件 ，以 硬件木馬的形式篡改或植入額外的惡意電路 ，目前行業并無有效的安全措施來防御。

1、PCB檢查

• ①自動光學檢查（AOI)：多次拍照，拼接成一個完整的大圖像，與設計圖進行比對。
• ②自動X射線檢查：利用不同材料對X射線的吸收率不同，對PCB進行檢查

2、PCB測試

• ①芯片內測試：萬用表原理
• ②功能測試
• ③JTAG邊界掃描測試

小結

到這里我們就對電子硬件、片上系統、PCB都有了一定認識。學習硬件安全的前提是我們得了解硬件，了解它的設計、測試、生產，才能指導在哪里會面臨安全風險，以及才有什么樣的手段去增加硬件的安全性。