一种SRAM型FPGA单粒子故障注入实验集的筛选方法.docx资源-CSDN文库

版权申诉

158 浏览量 2022-12-01 09:09:45 上传评论收藏 721KB DOCX 举报

资源详情

资源评论

1. 引言

随着航天任务蓬勃发展, 天基高速数据处理和在轨功能重构等航天新技术取得了重大

突破, SRAM 型 FPGA 器件由于其可重配置的特点, FPGA 极易受到单粒子效应影响, 造成

设计功能错误, 需对其进行抗单粒子容错设计.对于 FPGA 抗单粒子容错设计的常用验证方

法有在轨飞行实验

[1-2]

、实验室辐照实验

[3-5]

、故障注入实验

[6-9]

.其中, 故障注入具有实现方式

灵活, 测试效率高, 对器件没有物理损伤, 不受器件固有性能和其它辐射效应影响等优点,

得到了广泛应用.

目前故障注入往往采用全故障注入的方式, 即对 FPGA 配置存储器中的每一位进行耗

尽式的遍历, 此方式消耗大量的人力和时间成本, 由于实际工程任务设计规模一般较大, 使

得故障注入方法很难应用到实际工程中; 再者, 对大部分配置位的故障注入并不能造成被测

设计功能层面的故障, 故障注入盲目、效率低下.

本文基于故障注入盲目, 效率低下的问题, 提出一种 SRAM 型 FPGA 单粒子故障有效

实验集的筛选方法; 在 SRAM 型故障单粒子故障模式总结、故障注入实验集筛选和优先级

排序方面本文的改进明确划分了单粒子故障模式, 提高了故障注入实验的效率.单粒子故障

模式总结时, 剖析了 SRAM 型 FPGA 的器件结构, 归纳了单粒子故障的时间特性, 提出的

基于"时-空"分析的 SRAM 型 FPGA 故障模式能够完整覆盖 SRAM 型 FPGA 单粒子故障软

错误的绝大部分情况; 单粒子故障注入集合筛选排序时, 考虑到实际工程的资源占用、资源

连接、器件特性等因素, 给出的筛选排序原则明确、有效、可行, 提高故障注入的效率.

2. SRAM 型 FPGA 软件单粒子故障模式研究

2.1 SRAM 型 FPGA 软件单粒子故障时间特性

不同空间单粒子效应作用于 FPGA 造成的故障不尽相同; 从 FPGA 电路的错误是否恢

复来区分, 可分为硬错误和软错误.对于 CMOS 工艺集成电路而言, 单粒子在器件内部产生

极大沉积电荷量时才能引发硬错误, 因此硬错误出现概率较小

[10]

, 本文主要研究软错误.考

虑单粒子效应作用于 FPGA 后造成故障的时间特性, 可归为以下几类:

(1) 永久故障

永久故障表现为变量某一位或多位永久保持不变.在 FPGA 电路中主要有两种模式:固

定 1 故障和固定 0 故障.固定型的故障可比较确切的描述 FPGA 电路遭受到不可恢复的永久

性错误, 例如单粒子翻转、单粒子多位翻转、单粒子功能中断等.注:这里的不可恢复定义为

FPGA 运行过程中不可恢复, 并不是硬错误, 经过重配置可以进行修复.

SRAM 型 FPGA 永久故障模型可抽象如下:

Ai={0(1),1(0),t⩽txit>txiAi={0(1),t⩽txi1(0),t>txi

(1)

式中, A

代表故障点, t

为随机值, 代表故障发生的时间, 表示从 t

开始 A

的值发生了

永久性的改变.FPGA 电路中可能有一处或几处同时发生永久故障, 前者称之为单固定型的

故障 SSAF; 后者称之为多固定型的故障 MSAF.

(2) 暂态故障

暂态故障表现为 FPGA 电路中某处在某个周期发生暂态错误, 下个周期又恢复正确值.

单粒子翻转、单粒子瞬态脉冲、单粒子多位翻转等造成的 FPGA 电路故障可归结为此类故

障.进一步, 又可细分为瞬态故障和间歇性故障.

① 瞬态故障

瞬态故障是暂态故障的一种, 它发生的时间不定, 且一般不重复出现.由于瞬态故障的

不可重复性, 后期很难进行故障诊断, 所以是 FPGA 电路可靠性设计阶段需要重点考虑的

对象.

SRAM 型 FPGA 的瞬态故障模型可抽象如下:

Ai=⎧⎩⎨⎪⎪0(1),1(0),0(1),t<t1it1i⩽t<t2it⩾t2iAi={0(1),t<t1i1(0),t1i⩽t<t2i0(1),t⩾t2i

(2)

式中, A

代表故障点, t

为随机值, 代表故障发生的时刻, t

代表恢复正常的时刻, 两者

的时间差不大于一个特定值.

② 间歇性故障

间歇性故障与瞬态故障一样, 也是一种非固定性的暂态故障; 但与瞬态故障不同的是,

它可重复出现.SRAM 型 FPGA 中的间歇故障模型可抽象如下:

Ai=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪0(1),1(0),0(1),⋯0(1),⋯0(1),t<t1it1i⩽t<t2it2i⩽t<t3itai⩽t<tbitmi⩽t<tniAi={0(1),t<t1i1(0),t1i⩽t<t2i0(1),t2i⩽t<t3i⋯0(1),tai⩽t<tbi⋯0(1),tmi⩽t<tni

(3)

式中, A

代表故障点, t

为随机值(a 为奇数), 代表故障发生的时刻, t

(b 为偶数)代表恢

复正常的时刻.

2.2 SRAM 型 FPGA 软件单粒子故障空间特性

2.2.1 SRAM 型 FPGA 内部结构

单粒子效应作用于 SRAM 型 FPGA 器件的不同组成部分所造成影响不同, 本节以

Xilinx 7 系列 FPGA 器件为例剖析其内部资源.

Xilinx 7 系列 FPGA 内部资源主要包括可编程逻辑块(Configurable Logic Block, CLB)、

可编程互联资源、可编程输入/输出块(Input/output Block, IOB)、块随机存储器(Block RAM,

BRAM)、时钟资源及配置存储器(Configuration Memory Cell, CM)等.

(1) 可编程逻辑块(Configurable Logic Block, CLB)

CLB 是 Xilinx FPGA 中最主要的逻辑资源, 其包含 2 个 Slice, 并且 Slice 分为 2 种:

SLICEL 和 SLICEM, SLICEL 为普通的 Slice 逻辑单元, 可用于产生逻辑、计算等; 而

SLICEM 可以扩展为分布式 RAM 或者移位寄存器.

(2) 可编程互联资源

可编程互连资源是 FPGA 实现灵活可编程性的基础, 由各种长度的金属导线、可编程

开关点和可编程开关矩阵组成.FPGA 内部信号通过金属线在各个模块中传输, 并通过可配

置的可编程开关点和可编程开关矩阵控制其传输方向.

(3) 可编程输入/输出块(Input/output Block, IOB)

IOB 是芯片与外界电路的接口部分, 用于完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动

与匹配要求.FPGA 内的 I/O 按组分类, 每组都能够独立地支持不同的 I/O 标准.

(4) 块随机存储器(Block RAM, BRAM)

Block RAM 在专门的存储器列中, 主要应用于构造数据高速缓冲存储器、深 FIFO 和

缓冲器等.BRAM 提供给用户的配置方式非常的灵活, 可被实现为嵌入式双端口 RAM 模

块、单端口 RAM 模块、ROM 模块、同步 FIFO 和数据宽度转换器.

(5) 时钟资源

Xilinx 7 系列 FPGA 共包含 24 个时钟管理模块(Clock Management Tiles, CMT); 每个

CMT 由一个混合模式时钟管理器(MMCM)和一个锁相环(PLL)组成, 为 FPGA 提供时钟合

成、倾斜矫正、过滤抖动等功能.

(6) 配置存储器(Configuration Memory Cell, CM)

Xilinx 7 系列 FPGA 利用内部 SRAM 单元来存储配置信息, 它分布在 SRAM 型 FPGA

内部所有可配置逻辑资源中, 具有可配置性.因此, SRAM 型 FPGA 可以看作配置存储器和

受其控制的可配置逻辑资源两层的叠加.配置存储器控制着可配置逻辑资源, 如布线资源、

可编程逻辑资源、时钟管理等逻辑功能.

2.2.2 典型单粒子效应对 SRAM 型 FPGA 的影响

表 1 列举典型常见单粒子效应对的 FPGA 器件不同组成部分的影响.

表 1 典型单粒子效应对 FPGA 器件的影响

类型

影响

单粒子翻转

存储单元逻辑状态的翻转, 包括 Flip-Flop、Block RAM、查找表、配置存储器

单粒子多位翻

转

一个粒子入射导致存储单元多个位逻辑状态的改变, 包括 Flip-Flop、Block RAM、查找表、配置存

储器

单粒子瞬态脉

冲

单个高能粒子导致瞬态电流在逻辑电路中传播, 产生瞬时脉冲, 包括查找表、时钟管理单元、可编程

互联资源、IOB

单粒子扰动

存储单元逻辑状态出现瞬时改变, 包括 Flip-Flop、Block RAM、配置存储器

剩余10页未读，继续阅读

评论收藏

内容反馈

版权申诉

一种SRAM型FPGA单粒子故障注入实验集的筛选方法.docx

评论0

最新资源

一种SRAM型FPGA单粒子故障注入实验集的筛选方法.docx

评论0

最新资源

相关推荐

一种SRAM型FPGA单粒子故障注入实验集的筛选方法.pdf

一种SRAM型FPGA单粒子效应故障注入方法.pdf

一种基于SRAM工艺FPGA的防克隆保护方法.docx

基于SEM IP和部分重配置的SRAM型FPGA单粒子故障注入.docx

SRAM型FPGA单粒子效应逐位翻转故障注入方法 (2012年)

SRAM型FPGA的SEU故障注入系统设计.pdf

基于SRAM型FPGA单粒子效应综合防护技术.pdf

SRAM型FPGA单粒子翻转测试及加固技术研究.pdf

一种SRAM型FPGA单粒子效应加固平台设计.pdf

宇航用SRAM型FPGA的在线故障定位.docx

一种SRAM型FPGA单粒子效应加固平台设计

论文研究-SRAM型FPGA单粒子辐照试验系统技术研究.pdf

SRAM型FPGA单粒子效应敏感性分析研究.pdf

SRAM型FPGA单粒子辐照试验系统技术研究.pdf

SRAM型FPGA单粒子翻转防护的工程实现.pdf

SRAM型FPGA单粒子效应试验研究.pdf

一种 SRAM 型 FPGA 抗单粒子通用设计与实现.pdf

SRAM型FPGA单粒子翻转测试及加固技术研究

基于部分重构的SRAM型FPGA单粒子翻转模拟.pdf

SRAM型FPGA单粒子翻转失效率自动测试系统设计与实现.pdf

相关实用应用程序（Windows可用）

免费可用的ChatGPT网页版.zip

ChatGPT使用总结：150个ChatGPT提示词模板（完整版）

chromedriver-win64.zip

全国计算机二级WPSoffice精选350道选择题题库（含答案）.pdf

农村公交与异构无人机协同配送优化

李飞飞自传 我看见的世界 The World I see

哈尔滨工业大学-ChatGPT调研报告-2023.3.6-94页.pdf

4个亲测好用的ChatGPT4渠道

李飞飞自传我看见的世界 The World I see