本发明专利技术涉及一种用于大规模集成电路SRAM型FPGA中单粒子翻转的故障模拟系统及分析方法，包括上位计算机和控制板，所述控制板包括故障注入模块、故障检测模块、故障分析模块。本发明专利技术提供了一种使用灵活、成本低廉、具有模拟精度高、模拟速度快、对芯片不造成任何物理上的损伤的故障模拟系统及分析方法。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种单粒子翻转的故障模拟系统及分析方法，尤其涉及一种用于大规模集成电路SRAM型FPGA中单粒子翻转的故障模拟系统及分析方法。
技术介绍
单个高能带电粒子入射到半导体器件的灵敏体积内，对电路造成的瞬态扰动或永久性损伤称为单粒子效应。在卫星及航天器上工作的电子学系统处于空间辐射环境中，必须采取适当的加固措施来解决单粒子效应带来的可靠性问题。现场可编程门阵列(FPGA)是一种半定制的数字大规模集成电路，片内包含丰富的可编程逻辑资源及互连资源，用户可以通过编程配置来实现各种数字电路功能，电路的结构和实现何种功能完全由FPGA内部配置存储器中的数据决定。SRAM型FPGA是指采用CMOS工艺的静态随机存储单元(SRAM)作为配置存储器的FPGA，而SRAM是典型的易发生单粒子翻转的双稳态存储结构，因此SRAM型FPGA对单粒子效应极为敏感。近年来，随着空间通信和计算技术的发展，对集成电路的规模及性能需求不断提高，大规模SRAM型FPGA以其优越的接口性能及设计灵活性逐渐取代传统的逻辑电路，成为星载处理平台的核心电子元器件。在航天工程中应用的SRAM型FPGA必须采取针对单粒子效应的加固措施。目前在该领域应用的主流加固方法是Xilinx公司在美国专利US7，036，059B1中提出的三模冗余以及配置数据的定时刷新。其中三模冗余是一种容错技术，它是指在FPGA内部实现三个相同的设计模块，并在其输出端进行多数表决，这样可以保证在单一模块中出现的错误不会出现在最终的输出端。而定时刷新是一种纠错技术，是指通过周期性的重新配置来避免单粒子翻转数在时间上的累积。星载系统的抗单粒子能力及容错技术需要在地面进行验证，采用的验证方法主要有加速器辐照试验和仿真模拟两大类。其中加速器辐照试验方法成本高，周期长，而且严重受加速器束流时间限制，无法满足日益增长的任务需求；而软硬件仿真方法成本低，使用灵活，成为目前颇受欢迎的研究方法。故障注入是在容错技术验证领域广泛采用的一种仿真方法，这种方法的核心思想是采用人为手段主动向目标系统中引入错误，通过观察输出响应来确定系统的容错性能。目前，在单粒子效应领域出现的故障注入方法主要可以分为硬件故障注入、软件故障注入和仿真故障注入三种。硬件故障注入是指采用物理手段，特别是对芯片管脚电压的直接操作将故障注入到目标系统的硬件中。专利申请号200610150972.4，名称“一种嵌入式故障注入系统及其方法”介绍了一种硬件故障注入方法，这种方法基于可编程逻辑平台，通过修改目标电路的管脚信号来注入故障，以期在容错计算机研制的各个阶段对系统的设计和实现进行验证。专利申请号201110009648.1，名称“嵌入式星载计算机故障注入系统及其注入方法”中公开了一种用于嵌入式星载计算机操作系统的软件评测的故障注入方法。该方法通过边界扫描链(JTAG)控制FPGA引脚的高低电平，向包含DSP、FPGA、RAM等多芯片组成的嵌入式系统中注入错误，从而观测星载计算机对故障的容错能力，该方法适用于带有边界扫描单元的嵌入式星载计算机。软件故障注入是指用计算机语言对目标系统进行描述，通过修改抽象出来的目标系统的内存单元或处理器内部寄存器的值来模拟硬件故障的发生。目前国内外存在Fiat、Ferrari> Doctor、Xception、SOBFI等几种软件故障注入系统,这些系统主要用来仿真CPU和内存中的故障，进而研究容错机制对不同故障类型和工作负载情况下的容错能力。软件方法不需要复杂的实验系统，成本较低，控制灵活，可在编译或运行阶段注入故障，但是模拟精度严重依赖故障模型的准确性，模拟速度也较慢，程序运行一次通常需要很长时间。仿真故障注入方法是指利用某种标准硬件描述语言(HDL)为测试系统建立仿真模型，然后在模型内部插入故障注入单元来实现的故障注入。专利申请号200510111494.1，名称“智能全自动单粒子事件故障注入器”中的方法通过调用HDL仿真工具，改变信号的电平值来实现故障的注入，以便在功能仿真阶段及时了解容错方法的抗单粒子能力。专利申请号200810113439.X，名称“一种验证抗单粒子效应能力的故障注入系统及其方法”中制作了一种故障电路单元库，通过在门级网表中采用故障单元替代原始设计中的库单元来实现单粒子故障的模拟，这种方法主要应用在集成电路设计领域。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
所存在的技术问题，本专利技术提出了一种SRAM型FPGA中单粒子翻转的故障模拟系统及分析方法，可以用来验证SRAM型FPGA对单粒子翻转的容错能力，提高模拟精度和模拟速度。本专利技术的技术解决方案如下:1.一种单粒子翻转的故障模拟系统，包括上位计算机和控制板，所述控制板包括故障注入模块、故障检测模块、故障分 析模块；其特殊之处在于:上述故障注入模块包括非易失性存储器Flash ；上述故障检测模块包括参照FPGA、逻辑控制FPGA ;所述逻辑控制FPGA包括测试向量存储器、频率发生器、比较器；上述故障分析模块包括下位计算机DSP、CPU外围存储器；上述上位计算机与下位计算机DSP之间通过RS422协议进行通信；上述同步时钟、输出时钟、比较时钟由逻辑控制FPGA产生；上述非易失性存储器Flash与被测FPGA、参照FPGA相互连接通信；上述下位计算机分别与非易失性存储器Flash、逻辑控制FPGA、CPU外围存储器相互连接；上述频率发生器分别与测试向量存储器、比较器、被测FPGA、参照FPGA相互连接并发送信号；上述测试向量存储器与被测FPGA、参照FPGA相互连接。2.一种单粒子翻转的故障模拟分析方法，其特殊之处在于:包括以下步骤:I上位计算机将配置文件发送至下位计算机；2下位计算机将配置文件转存到非易失存储器中；3上位计算机发送配置FPGA指令；4下位计算机从非易失存储器中提取配置数据，并按照被测FPGA的读写时序将配置数据写入被测FPGA ；5向被测FPGA注入故障:在上位计算机发送故障注入指令后，下位计算机根据指令中的注入地址和注入模式将包含错误的一帧数据以及部分读写命令整合成新的数据包，通过被测FPGA的8位并行数据接口写入到被测FPGA的配置存储器中；6故障检测模块判断注入的故障是否对系统功能造成了破坏:在向被测FPGA注入故障之后，逻辑控制FPGA产生一个测试向量，输入被测FPGA与参照FPGA，并且检测被测FPGA与参照FPGA的输出是否一致；如果出现不一致的情况，说明注入的故障有效，逻辑控制FPGA立即向下位计算机请求中断，并且将出错信息返回上位计算机；7故障分析模块利用故障注入的结果评价由FPGA实现的系统的抗单粒子能力。3.上述2所述的单粒子翻转的故障模拟分析方法，其特殊之处在于:所述步骤7具体包括以下步骤:I利用故障注入和故障检测模块，遍历FPGA内部存储器中的每一位，找出该设计对应的所有敏感位；2通过公式计算该设计的敏感因子，用这个参数表征该系统对单粒子翻转的容错能力；所述公式是:敏感因子=动态翻转截面/静态翻转截面=敏感位数/配置存储器位数；3如果已经从辐照实验或者相关资料中获得了该器件的静态翻转截面，可以利用公式计算该系统的动态翻转截面；所述公式是:敏感因子=动态翻转截面/静态翻转截面=敏感本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种单粒子翻转的故障模拟系统，包括上位计算机和控制板，所述控制板包括故障注入模块、故障检测模块、故障分析模块；其特征在于：所述故障注入模块包括非易失性存储器Flash；所述故障检测模块包括参照FPGA、逻辑控制FPGA；所述逻辑控制FPGA包括测试向量存储器、频率发生器、比较器；所述故障分析模块包括下位计算机DSP、CPU外围存储器；所述上位计算机与下位计算机DSP之间通过RS422协议进行通信；所述同步时钟、输出时钟、比较时钟由逻辑控制FPGA产生；所述非易失性存储器Flash与被测FPGA、参照FPGA相互连接通信；所述下位计算机分别与非易失性存储器Flash、逻辑控制FPGA、CPU外围存储器相互连接；所述频率发生器分别与测试向量存储器、比较器、被测FPGA、参照FPGA相互连接并发送信号；所述测试向量存储器与被测FPGA、参照FPGA相互连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王忠明，姚志斌，郭红霞，赵雯，丁李利，王艳萍，肖尧，王园明，张科营，王伟，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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