[發(fā)明專利]一種基于SRAM型FPGA敏感因子的功能失效時(shí)間評(píng)估方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610819610.3
• 申請(qǐng)日: 2016-09-13
• 公開（公告）號(hào): CN107817439A
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高成;張明杰;傅成城;黃姣英
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R31/3185
• 分類號(hào): G01R31/3185
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于SRAM型FPGA敏感因子的功能失效時(shí)間評(píng)估方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：

步驟一：對(duì)SRAM型FPGA的配置網(wǎng)表文件進(jìn)行解析，采用SelectMAP配置方法，利用可重構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)一套遍歷式單粒子故障注入方法；

步驟二：對(duì)FPGA進(jìn)行功能電路配置，并對(duì)搭載有具體功能電路的FPGA實(shí)施遍歷式故障注入試驗(yàn)；

步驟三：收集敏感位數(shù)據(jù)，利用敏感位數(shù)據(jù)驗(yàn)證三模冗余設(shè)計(jì)的效率，并計(jì)算功能電路的敏感因子；

步驟四：利用敏感因子計(jì)算功能電路的功能失效時(shí)間。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SRAM型FPGA敏感因子的功能失效時(shí)間評(píng)估方法，其特征在于：步驟一所述的“利用可重構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)一套遍歷式單粒子故障注入方法”，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

通過修改配置文件中的單幀數(shù)據(jù)完成對(duì)配置位的位翻轉(zhuǎn)，用SelectMAP配置模式將修改后的內(nèi)容刷新到運(yùn)行中的FPGA上，完成動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)配置存儲(chǔ)器的人為邏輯翻轉(zhuǎn)。向兩塊FPGA施加測(cè)試向量，并對(duì)比FPGA的功能輸出結(jié)果，以此來判斷配置位的翻轉(zhuǎn)是否引起了FPGA系統(tǒng)功能失效。故障注入可以理解為一種人為的加速失效過程，用來檢測(cè)SRAM型FPGA執(zhí)行某種功能的穩(wěn)定性。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SRAM型FPGA敏感因子的功能失效時(shí)間評(píng)估方法，其特征在于：步驟三所述的“計(jì)算功能電路的敏感因子”，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

一般在對(duì)FPGA進(jìn)行單粒子性能測(cè)試時(shí)，最直接的方法是采用高能粒子輻照，因此對(duì)FPGA的抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力的定量可以從高能粒子輻照的相關(guān)測(cè)試參數(shù)分析。

在一般輻照試驗(yàn)中，定量評(píng)價(jià)是使用單粒子翻轉(zhuǎn)截面來評(píng)價(jià)器件對(duì)單粒子效應(yīng)的敏感程度：

σs=NF---(1)]]>

式中，F(xiàn)為垂直入射時(shí)單位面積上入射粒子總數(shù)，單位是cm^-2；N為單粒子翻轉(zhuǎn)事件數(shù)；σ_s為器件單位面積受到單一粒子碰撞一系列連鎖現(xiàn)象后，引發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)的概率，是FPGA固有的屬性。

考慮具體配置電路，引入一個(gè)動(dòng)態(tài)參量，稱為動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)截面σ_d：

σd=EF---(2)]]>

式中，E是高能粒子輻照實(shí)驗(yàn)中FPGA發(fā)生系統(tǒng)功能失效的次數(shù)，F(xiàn)是入射粒子在單位面積上的通量。配置有功能電路的FPGA在運(yùn)行時(shí)，可以使用動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)截面來評(píng)估器件的失效率。相對(duì)的，將σ_s稱為靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面。

回到失效鏈，該失效鏈?zhǔn)墙⒃谝呀?jīng)發(fā)生位翻轉(zhuǎn)的前提下，我們把這個(gè)前提事件稱為事件A，將FPGA發(fā)生功能失效稱為事件B，前提事件A受FPGA固有屬性的影響，只有當(dāng)A發(fā)生了，才會(huì)有可能發(fā)生事件B，事件B受到具體配置功能電路屬性的影響。

引入一個(gè)敏感因子γ來描述單粒子翻轉(zhuǎn)對(duì)FPGA使用功能造成的影響，將動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)截面與靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面的比例來作為FPGA具體使用中發(fā)生事件A后出現(xiàn)事件B的度量。

γ=σdσs=EN=NsNc---(3)]]>

式中，N_c為故障注入試驗(yàn)的總次數(shù)；N_s為發(fā)生功能失效的次數(shù)，也就是敏感位。敏感因子γ的意義為引起功能失效的單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)和總單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)的比例。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于SRAM型FPGA敏感因子的功能失效時(shí)間評(píng)估方法，其特征在于：步驟四所述的“利用敏感因子計(jì)算功能電路的功能失效時(shí)間”，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

在配置完FPGA后的實(shí)際使用中，只有當(dāng)功能電路發(fā)生了功能錯(cuò)誤后，才能判斷該FPGA中發(fā)生了配置位單粒子翻轉(zhuǎn)，然而這并不能反應(yīng)出FPGA中的真實(shí)單粒子翻轉(zhuǎn)情況。為了解決這一情況，基于敏感位提出一種評(píng)估平均功能失效時(shí)間的方法。

配置完成后的FPGA具有一定的功能，當(dāng)電路功能無法正確執(zhí)行時(shí)，認(rèn)為FPGA發(fā)生了功能失效。在只考慮單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)，單粒子翻轉(zhuǎn)失效鏈解釋了SRAM存儲(chǔ)單元邏輯翻轉(zhuǎn)引發(fā)功能失效的具體過程。針對(duì)具體功能電路，F(xiàn)PGA所表現(xiàn)出來的功能失效時(shí)間及類型是不同的，故障注入試驗(yàn)結(jié)果得到的敏感位可以將不同功能電路的功能失效時(shí)間相互轉(zhuǎn)換。遍歷式的故障注入可以排除非關(guān)鍵配置位的干擾，使得功能失效時(shí)間的轉(zhuǎn)換更準(zhǔn)確。

通過故障注入試驗(yàn)得到特定功能電路i在某A型號(hào)FPGA的敏感位是λ_i，其中i＝1，2，...，N，代表N個(gè)電路分別配置在同一個(gè)型號(hào)的FPGA上。假設(shè)該FPGA與電路配置相關(guān)的總配置位數(shù)量為λ，那么該FPGA的單粒子翻轉(zhuǎn)間隔時(shí)間t_A可以表示為：

tA=λtiλi---(4)]]>

其中t_i為功能電路i在實(shí)際使用中單粒子翻轉(zhuǎn)的平均失效間隔時(shí)間，值得注意的是，該方法的基本假設(shè)是任意功能電路是配置在同一電路上。

得到FPGA實(shí)際單粒子翻轉(zhuǎn)情況后，可分析電路j，其中j≠i，也就是當(dāng)FPGA本身的單粒子翻轉(zhuǎn)間隔時(shí)間已知時(shí)，可通過任意電路j的敏感位λ_j推算電路j的平均失效間隔時(shí)間FFT_j：

FFTj=λjλtA=λjtiλi---(5)]]>

由此可以計(jì)算出任意電路配置完成后，F(xiàn)PGA的功能失效時(shí)間，該時(shí)間參數(shù)對(duì)于定時(shí)刷新技術(shù)的參數(shù)設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值。