[發(fā)明專利]一種SRAM型FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)加固定時(shí)刷新頻率確定方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910368564.3
• 申請(qǐng)日: 2019-05-05
• 公開（公告）號(hào): CN110209547B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 賈曉宇;王穎;王建昭;李衍存;秦珊珊;鄭玉展;張慶祥
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部
• 主分類號(hào): G06F11/26
• 分類號(hào): G06F11/26
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 陳鵬

一種SRAM型FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)加固定時(shí)刷新頻率確定方法及系統(tǒng)，需要對(duì)SRAM型FPGA應(yīng)用的加固措施進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估，利用故障注入作為驗(yàn)證手段，通過向FPGA的配置區(qū)注入翻轉(zhuǎn)，觀察FPGA應(yīng)用的運(yùn)行狀態(tài)確定應(yīng)用的單粒子翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)有效性，同時(shí)解決了現(xiàn)有技術(shù)無法定量評(píng)估FPGA應(yīng)用加固有效性的問題，并能夠確定FPGA的刷新頻率取值范圍，計(jì)算簡便，方法可靠性高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種SRAM型FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)加固定時(shí)刷新頻率確定方法及系統(tǒng)，屬于FPGA應(yīng)用容錯(cuò)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，航天任務(wù)對(duì)在軌數(shù)據(jù)處理提出了更高需求，對(duì)電子設(shè)備的體積、重量和功耗也有更加嚴(yán)格限制，同時(shí)應(yīng)用衛(wèi)星正在向微型化、集成化的方向發(fā)展，對(duì)低成本、快速開發(fā)的需求也更加迫切。商用SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器型)的FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)，具有集成度高、開發(fā)成本低、高性能、低功耗及可在線重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，成為了空間應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)，并逐步在航天領(lǐng)域得到應(yīng)用。同時(shí)SRAM型FPGA易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，即SEU情況，因此在空間應(yīng)用SRAM型FPGA時(shí)，需要針對(duì)SEU問題進(jìn)行針對(duì)性防護(hù)設(shè)計(jì)，確保FPGA的應(yīng)用可滿足任務(wù)的在軌穩(wěn)定運(yùn)行需求。

冗余技術(shù)，包括檢錯(cuò)糾錯(cuò)、三模冗余技術(shù)，與定時(shí)刷新是常見的抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固手段。工程實(shí)踐表明，單獨(dú)使用冗余或者刷新并不能達(dá)理想的加固效果，需要將兩者結(jié)合起來?？臻g應(yīng)用中，SRAM型FPGA的加固一般也需要同時(shí)采用冗余與刷新兩種加固手段。對(duì)FPGA應(yīng)用的加固并不一定總是有效的，如加固方式不適當(dāng)，則消耗系統(tǒng)資源的同時(shí)也無法達(dá)到預(yù)期加固目標(biāo)。目前工程上尚無成熟SRAM型FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)加固驗(yàn)證手段，目前可用手段包括：

重離子輻照試驗(yàn)：重離子輻射是最直接、最準(zhǔn)確對(duì)加固有效性進(jìn)行考核的手段，但是輻照源機(jī)時(shí)有限、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、相關(guān)技術(shù)復(fù)雜，且需要準(zhǔn)備專門的測試電路，因此多用于研究、技術(shù)驗(yàn)證，不適合作為工程上對(duì)FPGA設(shè)計(jì)的考核手段。

仿真故障注入：目前存在多種仿真、分析方法對(duì)錯(cuò)誤率進(jìn)行預(yù)計(jì)，其代價(jià)小，但精度不足。同時(shí)仿真故障注入需要對(duì)FPGA具體設(shè)計(jì)，并且有一定概率領(lǐng)域知識(shí)，因此該方法適合于單機(jī)設(shè)計(jì)師對(duì)FPGA加固設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查，但不是理想的考核方式。

故障注入是介于輻射試驗(yàn)與仿真分析之間一種直接而易用的驗(yàn)證手段，通過向FPGA內(nèi)部注入翻轉(zhuǎn)，觀察FPGA應(yīng)用的運(yùn)行狀態(tài)來確定應(yīng)用的抗單粒子翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)有效性。目前故障注入可以分為動(dòng)態(tài)故障注入與靜態(tài)故障注入兩種，動(dòng)態(tài)方式相對(duì)比較直接，但是系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，靜態(tài)故障注入實(shí)現(xiàn)簡單，通用性好，但是試驗(yàn)結(jié)果無法直接應(yīng)用與帶有刷新策略的電路設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)FPGA應(yīng)用單粒子翻轉(zhuǎn)加固有效性的定量評(píng)估時(shí)，工程上缺少通用性好，易于實(shí)現(xiàn)方法，基于靜態(tài)故障注入的手段提出了一種SRAM型FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)加固措施的考核方法，可定量獲得FPGA應(yīng)用電路在軌翻轉(zhuǎn)率，并幫助設(shè)計(jì)師選擇應(yīng)用的定時(shí)刷新頻率。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種SRAM型FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)加固定時(shí)刷新頻率確定方法，具體步驟如下：

(1)對(duì)FPGA電路進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，根據(jù)空間輻射環(huán)境、FPGA電路的靜態(tài)翻轉(zhuǎn)截面曲線對(duì)FPGA電路進(jìn)行在軌靜態(tài)翻轉(zhuǎn)率分析，獲取FPGA電路的在軌靜態(tài)翻轉(zhuǎn)率u；

(2)對(duì)初始狀態(tài)下FPGA電路的配置文件進(jìn)行改寫，隨機(jī)寫入N位翻轉(zhuǎn)，運(yùn)行FPGA電路，記錄M次試驗(yàn)中，在不同翻轉(zhuǎn)位數(shù)情況下出現(xiàn)輸出錯(cuò)誤或功能中斷的試驗(yàn)次數(shù)，并計(jì)算FPGA電路運(yùn)行的錯(cuò)誤比例λ_N；

(3)逐步增大FPGA電路的配置文件中翻轉(zhuǎn)的位數(shù)N，當(dāng)FPGA運(yùn)行的錯(cuò)誤比例λ_N大于50％時(shí)，停止故障注入試驗(yàn)，并記錄錯(cuò)誤比例λ_N；