[发明专利]一种基于SRAM型FPGA敏感因子的功能失效时间评估方法

说明书

技术领域

本发明提供一种SRAM型FPGA的功能失效时间评估方法，它涉及到FPGA故障注入试验及加固容错措施，属于FPGA防护容错技术领域。

背景技术

FPGA具有高性能、可重构的特点，广泛运用于航空机载电子设备中，而静态随机存取存储器(SRAM)对大气中子引发的单粒子效应天生敏感。带有复杂存储结构微电子器件的飞行器在自然环境中会遭遇大气中子，这些高能中子作用于核心指令控制单元和关键数据存储单元上，在存储单元上产生软错误或硬故障，最终引起系统故障。航电系统的安全性要求很高，辐射效应引发的故障会大幅的降低航电系统的安全等级。

随着工业技术迅速发展，SRAM型FPGA在工艺方面也发生了改变，工作频率的上升、特征尺寸的减小都使得单粒子效应表现形式越来越复杂。在大气中子环境下，SRAM型FPGA器件工作频率的上升、特征尺寸的减小使得大辐射效应潜在的危害越来越大，器件在抗辐射效应危害方面的能力不断下降。从上世纪80年代开始，SRAM存储器每一位的单粒子翻转截面变化都不大，但SRAM器件的集成度从以前的几十K发展到了如今的几个G，这样计算每个器件的翻转率将比原来大了几万倍。对于工作在地面附近和高纬度航空高度的集成度密集的航空器，大气中子辐射效应是诱发器件发生软错误最主要的原因，引起了人们的广泛关注。

研究器件在辐射效应环境下的工作状态，采用辐射效应故障测试方法是最有效的一种方法。目前主要的辐射效应测试研究方法有卫星搭载实验、高能粒子辐照实验、单粒子故障注入试验。单粒子故障注入试验是一种模拟实验，将单粒子效应产生的软故障注入到器件中，该方法要与器件在真实环境中的故障发生时空分布特性相一致，并且对动态注入的并发性有一定的要求。单粒子故障注入的主要研究内容主要是尽可能的模拟单粒子翻转发生的真实情况，以及故障注入配置所限制的动态并发注入技术问题和实验方法的推广应用。目前利用各种微处理器器件作为实验控制中枢的故障注入技术已经十分普遍了，这种实验系统通过故障注入软件可以很快地对被测件执行故障注入试验。美国很多大学已开发出一系列的故障注入工具，CMU大学开发的FIAT，Illinois大学开发的FINE工具，MSU大学的DOCTOR、Texas大学的FERRARI，另外葡萄牙Coimbra大学开发的Xception等等都是一些成熟的故障注入工具软件。国内方面对故障注入工具软件的开发也开展了相关工作，哈尔滨工业大学的杨孝宗教授也进行故障注入技术研究，并将研究成果用于容错计算。

SRAM型FPGA中单粒子辐射加固措施分为两大类，冗余设计技术和故障修复技术，而故障修复技术最有效的是定时刷新技术，冗余技术中最有效的方法是三模冗余(TMR)。作为一种容错技术，三模冗余能对单个模块进行冗余，屏蔽单个模块失效对整个系统功能造成的影响；定时刷新是一种纠错技术，刷新后可以消除受单粒子影响的故障，避免故障在器件中累积传播。但是实际上纠错是发生在出错以后，无法避免单粒子辐射效应引起的故障。防护与纠错相互互补，理论上在同时使用三模冗余及定时刷新时，可以基本消除单粒子辐射效应对FPGA系统功能的影响。

本发明利用遍历式单粒子故障注入方法，对搭载有功能电路的FPGA进行功能失效时间评估，提高了预测精度和运算效率，具有较好的可行性和推广价值。计算功能电路时间参数，为单粒子加固提供数据上的支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于SRAM型FPGA敏感因子的功能失效时间评估方法，能够更加快捷、准确地进行搭载有具体功能电路的FPGA功能失效时间进行评估，为FPGA使用中的防护加固提供支持，验证三模冗余设计的效率，计算定时刷新技术中的刷新周期。

该方法的技术流程如附图1所示，具体步骤如下：

步骤一：对SRAM型FPGA的配置网表文件进行解析，采用SelectMAP配置方法，利用可重构技术设计一套遍历式单粒子故障注入方法；

步骤二：对FPGA进行功能电路配置，并对搭载有具体功能电路的FPGA实施遍历式故障注入试验；

步骤三：收集敏感位数据，利用敏感位数据验证三模冗余设计的效率，并计算功能电路的敏感因子；

步骤四：利用敏感因子计算功能电路的功能失效时间。

其中，步骤一所述的“对SRAM型FPGA的配置网表文件进行解析”，其具体实现过程如下：