[发明专利]一种FPGA寄存器级单粒子翻转故障模拟方法和系统

说明书

本发明公开了一种FPGA寄存器级单粒子翻转故障模拟方法和系统，属于电子设备可靠性分析技术领域。包括：S1.被测电路在FPGA中被实例化为电路CUT_0，所述被测电路包含大量寄存器；S2.生成故障注入序列，所述故障注入序列包括至少一个目标寄存器组；S3.向CUT_0电路输入激励，并在故障注入序列的指导下，用目标寄存器组控制CUT_0电路中对应寄存器的输出翻转。本发明直接对FPGA功能电路中的寄存器操作，模拟各种寄存器组合受单粒子轰击被打翻的现象，定位准确，产生了大量有价值的仿真数据。本发明将被测电路实例化为CUT_0和CUT_1，CUT_0输出结果受SEU影响，CUT_1输出结果正常，比较CUT_0和CUT_1的输出，比较结果对指导SEU重点防护具有极为重要的指导意义。

技术领域

本发明属于电子设备可靠性分析领域，更具体地，涉及一种FPGA寄存器级单粒子翻转故障模拟方法和系统。

背景技术

FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)被广泛用于数据信息处理和传输的片上实现，是航天应用领域中极为重要的数据处理载体。但FPGA是单粒子敏感型器件，在轨使用时处于空间辐照环境，空间高能粒子会对器件产生一系列影响，包括总剂量效应(Total IonizingDose Effects，TID)和单粒子效应(Single EventEffects，SEE)等，而SEE中的单粒子翻转(Single Event Upset，SEU)对FPGA的影响尤为明显。SEU即空间高能粒子轰击FPGA片上配置存储区电路或功能电路而导致的逻辑状态翻转。配置存储区的SEU故障会导致功能电路结构的改变，在不进行电路刷新的情况下具有永久性；功能电路的SEU故障会导致运算结果的错误，运算错误具有扩散性和持续性。由此可知，SEU故障会造成器件内部电路异常，导致电路无法正常工作，严重影响到空间应用系统中数据处理和传输的可靠性、安全性。

SEU在空间应用中没有足够的实测数据可供参考，通过模拟的方式获得大量数据对指导FPGA电路的容错设计具有极大的应用价值和实际意义。故障注入是一种加速系统失效的仿真技术，首先模拟FPGA电路在空间辐照环境中可能发生的各种故障形式，再把这些模拟的软硬件故障人为地注入到FPGA电路中，然后观察FPGA电路的运行情况，确定系统的错误检测覆盖率、分析故障传播情况。

近年来，国内外对于故障注入技术的关注度越来越高，郑晓云等人提出采用修改FPGA配置区数据位的方式来模拟故障，实现对SEU敏感位的检测和统计。此后的研究多关注于配置区数据位的选择方法和故障注入平台的自动处理，这是最为典型的SEU故障注入方法研究方向；李林等人提出基于部分重构的SRAM型FPGA单粒子翻转模拟，于婷婷等人提出基于码流的软件控制FPGA故障注入系统。然而，现有技术均针对的是配置存储区的SEU故障，采取的手段是修改配置文件，不能直接面向功能电路中的寄存器，并模拟其受高能粒子轰击而翻转的现象。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术不能模拟功能电路的寄存器级SEU故障的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种FPGA寄存器级单粒子翻转故障模拟方法，该方法包括以下步骤：

S1.被测电路在FPGA中被实例化为电路CUT_0，所述被测电路包含大量寄存器；

S2.生成故障注入序列，所述故障注入序列包括至少一个目标寄存器组；

S3.向CUT_0电路输入激励，并在故障注入序列的指导下，用目标寄存器组控制CUT_0电路中对应寄存器的输出翻转。

具体地，被测电路实例化时，在每个寄存器输出端口添加一个二输入选择器，用于实现对寄存器翻转的控制。

具体地，通过故障注入模式，生成故障注入序列。

具体地，所述通过故障注入模式生成故障注入序列，具体如下：