[發(fā)明專利]一種星載設(shè)備中FPGA單粒子翻轉(zhuǎn)故障注入方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110611009.6
• 申請(qǐng)日: 2021-06-02
• 公開（公告）號(hào): CN113254288B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉哲;周海洋;王飛雪;黃龍;魯祖坤;李柏渝;邱楊;王曉琴;楊威;劉強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F11/22
• 分類號(hào): G06F11/22;G06F11/263;G06F11/10;G01R31/00
• 代理公司: 中國和平利用軍工技術(shù)協(xié)會(huì)專利中心 11215
• 代理人: 劉光德

本發(fā)明提供一種星載設(shè)備的單粒子翻轉(zhuǎn)故障注入方法，包括PC機(jī)外部注入起始位置，使用串口命令打開電源，待確認(rèn)單板正常上電后，向兩個(gè)單板同時(shí)發(fā)送故障注入開始指令，并持續(xù)監(jiān)測(cè)兩個(gè)單板狀態(tài)，星載設(shè)備DSP從遙控指令中得到當(dāng)前注入幀號(hào)，星載設(shè)備DSP在讀取完幀數(shù)據(jù)后，將計(jì)算出需要打翻的Bit翻轉(zhuǎn)，而對(duì)于參考單板不進(jìn)行Bit翻轉(zhuǎn)，之后針對(duì)本幀數(shù)據(jù)計(jì)算CRC，并對(duì)刷新器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)管，在無異常情況下，將配置數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)一同寫入ICAP刷新器接口，控制刷新器進(jìn)行數(shù)據(jù)注入。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及星載設(shè)備中FPGA領(lǐng)域，更具體地是涉及對(duì)使用SRAM型FPGA的星載設(shè)備進(jìn)行單粒子翻轉(zhuǎn)故障注入的方法。

背景技術(shù)

目前，宇航級(jí)FPGA器件的主流技術(shù)有基于反熔絲和基于SRAM 兩種?；诜慈劢z的FPGA 采用擊穿絕緣介質(zhì)的方法進(jìn)行編程，抗輻照能力強(qiáng)，但成本高、性能弱且靈活性不夠；SRAM型FPGA 具有可重復(fù)配置的優(yōu)點(diǎn)，憑借其高性能、低成本、開發(fā)快捷等優(yōu)點(diǎn)，在星載設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛。但此種類型FPGA由于SRAM 自身的結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致其對(duì)單粒子效應(yīng)十分敏感，易被單粒子打翻，從而對(duì)內(nèi)部電路功能造成影響。SRAM型FPGA應(yīng)用于星載設(shè)備時(shí)，需配合刷新技術(shù)和三模容錯(cuò)手段，來保證其運(yùn)行的可靠性。

星載設(shè)備一般使用DSP作為邏輯控制和運(yùn)算單元，負(fù)責(zé)核心的計(jì)算和控制任務(wù)，SRAM型FPGA作為協(xié)處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和后處理。當(dāng)SRAM型FPGA被單粒子打翻時(shí)，設(shè)備可能出現(xiàn)無法預(yù)知的故障。為評(píng)估單粒子效應(yīng)可能對(duì)SRAM型FPGA產(chǎn)生的影響，通常采用故障注入的方式。故障注入的原理是對(duì)FPGA 配置文件中的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行0/1翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)配置存儲(chǔ)器內(nèi)容的人為翻轉(zhuǎn)，從而模擬FPGA 的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。

為減少對(duì)外部輔助硬件的依賴，通常采用FPGA內(nèi)部自帶的ICAP接口實(shí)現(xiàn)故障注入。ICAP是FPGA 提供的內(nèi)部端口，可對(duì)SRAM型FPGA的配置存儲(chǔ)器內(nèi)容進(jìn)行回讀或重配置，能夠方便地實(shí)現(xiàn)配置存儲(chǔ)器內(nèi)容的單比特翻轉(zhuǎn)?，F(xiàn)有方法采用ICAP接口實(shí)現(xiàn)故障注入時(shí)，往往還需專用的PC機(jī)軟件以及外圍輔助電路，需要購買額外的設(shè)備，使得故障注入系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，提高了故障注入實(shí)驗(yàn)的門坎。

中國專利公開CN108073497A公開了一種用于星載計(jì)算機(jī)可靠性驗(yàn)證的故障注入方法，包括：通過衛(wèi)星軌道參數(shù)計(jì)算單粒子翻轉(zhuǎn)率，生成單粒子翻轉(zhuǎn)故障注入表；建立星載計(jì)算機(jī)模型和故障注入器，并按照故障注入表中的內(nèi)容，對(duì)星載計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行故障注入；建立故障觀察器，對(duì)故障注入后的各模塊的狀態(tài)和輸出進(jìn)行跟蹤；將故障注入表、故障觀察器所跟蹤的各模塊值及相應(yīng)運(yùn)行結(jié)果保存于日志文件中。該方法的注入過程可控性強(qiáng)，星載計(jì)算機(jī)模型和故障注入模型雙線程并行，可通過終端方便地控制和監(jiān)測(cè)仿真進(jìn)程。CN108073497A的技術(shù)方案中通過仿真，實(shí)現(xiàn)模擬故障注入，無法完全模擬真實(shí)硬件條件，部分與硬件相關(guān)故障可能無法通過仿真注入來實(shí)現(xiàn)，并且所針對(duì)對(duì)象為星載計(jì)算機(jī)CPU，無法應(yīng)用于SRAM型FPGA。

中國專利公開CN108646106A公開了一種具有單粒子翻轉(zhuǎn)故障注入功能的微型ICAP控制器，使用PicoBlaze作為ICAP控制器的主控制單元，接收來自重構(gòu)系統(tǒng)的功能請(qǐng)求或故障注入請(qǐng)求指令，然后控制ICAP端口與幀故障檢測(cè)單元 進(jìn)行 工 作 ；I C A P 控 制器的 結(jié) 構(gòu) ：由 R A M 、PicoBlaze控制器、ICAP端口、幀檢測(cè)單元組成；PicoBlaze控制重配置和故障注入的整個(gè)過程；RAM受PicoBlaze控制器的控制，用于存儲(chǔ)配置幀數(shù)據(jù)；幀檢測(cè)單元用于對(duì)配置過程中的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)；在配置過程中，PicoBlaze接收重構(gòu)系統(tǒng)的功能指令，解析之后完成相應(yīng)功能。ICAP控制器故障注入功能不需要額外的資源，不影響重構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)行。該方案中使用PicoBlaze軟核處理器作為注入控制，是使用FPGA的邏輯和資源搭建的一個(gè)軟核CPU系統(tǒng)，同時(shí)ICAP注入器由FPGA本身提供，二者在進(jìn)行SRAM型FPGA故障注入時(shí)，本身存在注入故障后，無法正常運(yùn)行的可能，該方法未考慮在PicoBlaze軟核和ICAP接口本身存在故障時(shí)，如何恢復(fù)注入流程。

發(fā)明內(nèi)容