[發明專利]一種基于SRAM型FPGA敏感因子的功能失效時間評估方法

在審

• 申請號: 201610819610.3
• 申請日: 2016-09-13
• 公開（公告）號: CN107817439A
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發明（設計）人: 高成;張明杰;傅成城;黃姣英
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R31/3185
• 分類號: G01R31/3185
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明提供一種SRAM型FPGA的功能失效時間評估方法，它涉及到FPGA故障注入試驗及加固容錯措施，屬于FPGA防護容錯技術領域。

背景技術

FPGA具有高性能、可重構的特點，廣泛運用于航空機載電子設備中，而靜態隨機存取存儲器(SRAM)對大氣中子引發的單粒子效應天生敏感。帶有復雜存儲結構微電子器件的飛行器在自然環境中會遭遇大氣中子，這些高能中子作用于核心指令控制單元和關鍵數據存儲單元上，在存儲單元上產生軟錯誤或硬故障，最終引起系統故障。航電系統的安全性要求很高，輻射效應引發的故障會大幅的降低航電系統的安全等級。

隨著工業技術迅速發展，SRAM型FPGA在工藝方面也發生了改變，工作頻率的上升、特征尺寸的減小都使得單粒子效應表現形式越來越復雜。在大氣中子環境下，SRAM型FPGA器件工作頻率的上升、特征尺寸的減小使得大輻射效應潛在的危害越來越大，器件在抗輻射效應危害方面的能力不斷下降。從上世紀80年代開始，SRAM存儲器每一位的單粒子翻轉截面變化都不大，但SRAM器件的集成度從以前的幾十K發展到了如今的幾個G，這樣計算每個器件的翻轉率將比原來大了幾萬倍。對于工作在地面附近和高緯度航空高度的集成度密集的航空器，大氣中子輻射效應是誘發器件發生軟錯誤最主要的原因，引起了人們的廣泛關注。

研究器件在輻射效應環境下的工作狀態，采用輻射效應故障測試方法是最有效的一種方法。目前主要的輻射效應測試研究方法有衛星搭載實驗、高能粒子輻照實驗、單粒子故障注入試驗。單粒子故障注入試驗是一種模擬實驗，將單粒子效應產生的軟故障注入到器件中，該方法要與器件在真實環境中的故障發生時空分布特性相一致，并且對動態注入的并發性有一定的要求。單粒子故障注入的主要研究內容主要是盡可能的模擬單粒子翻轉發生的真實情況，以及故障注入配置所限制的動態并發注入技術問題和實驗方法的推廣應用。目前利用各種微處理器器件作為實驗控制中樞的故障注入技術已經十分普遍了，這種實驗系統通過故障注入軟件可以很快地對被測件執行故障注入試驗。美國很多大學已開發出一系列的故障注入工具，CMU大學開發的FIAT，Illinois大學開發的FINE工具，MSU大學的DOCTOR、Texas大學的FERRARI，另外葡萄牙Coimbra大學開發的Xception等等都是一些成熟的故障注入工具軟件。國內方面對故障注入工具軟件的開發也開展了相關工作，哈爾濱工業大學的楊孝宗教授也進行故障注入技術研究，并將研究成果用于容錯計算。

SRAM型FPGA中單粒子輻射加固措施分為兩大類，冗余設計技術和故障修復技術，而故障修復技術最有效的是定時刷新技術，冗余技術中最有效的方法是三模冗余(TMR)。作為一種容錯技術，三模冗余能對單個模塊進行冗余，屏蔽單個模塊失效對整個系統功能造成的影響；定時刷新是一種糾錯技術，刷新后可以消除受單粒子影響的故障，避免故障在器件中累積傳播。但是實際上糾錯是發生在出錯以后，無法避免單粒子輻射效應引起的故障。防護與糾錯相互互補，理論上在同時使用三模冗余及定時刷新時，可以基本消除單粒子輻射效應對FPGA系統功能的影響。

本發明利用遍歷式單粒子故障注入方法，對搭載有功能電路的FPGA進行功能失效時間評估，提高了預測精度和運算效率，具有較好的可行性和推廣價值。計算功能電路時間參數，為單粒子加固提供數據上的支持。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于SRAM型FPGA敏感因子的功能失效時間評估方法，能夠更加快捷、準確地進行搭載有具體功能電路的FPGA功能失效時間進行評估，為FPGA使用中的防護加固提供支持，驗證三模冗余設計的效率，計算定時刷新技術中的刷新周期。

該方法的技術流程如附圖1所示，具體步驟如下：

步驟一：對SRAM型FPGA的配置網表文件進行解析，采用SelectMAP配置方法，利用可重構技術設計一套遍歷式單粒子故障注入方法；

步驟二：對FPGA進行功能電路配置，并對搭載有具體功能電路的FPGA實施遍歷式故障注入試驗；

步驟三：收集敏感位數據，利用敏感位數據驗證三模冗余設計的效率，并計算功能電路的敏感因子；

步驟四：利用敏感因子計算功能電路的功能失效時間。

其中，步驟一所述的“對SRAM型FPGA的配置網表文件進行解析”，其具體實現過程如下：