專利名稱：一種針對sram型fpga的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，屬于FPGA空間可靠性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
FPGA發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)后，其故障表現(xiàn)為FPGA中存儲單元的內(nèi)容改變，而這些存儲單元的內(nèi)容是由配置文件中的比特位決定的。目前，在地面上模擬空間中的單粒子翻轉(zhuǎn)主要采用輻射模擬，即采用重離子或高能質(zhì)子等模擬源來輻照器件，測試其輻射敏感參數(shù)，為器件的選型和預(yù)估實際輻射環(huán)境中單粒子翻轉(zhuǎn)率提供依據(jù)。
如果采用輻射模擬的方法，首先，被輻照過的器件不能再被使用，從而提高了試驗的成本；其次，國內(nèi)的高能加速資源器資源相對較少，預(yù)約困難；再次，這種方法對于調(diào)整粒子種類和能量的操作較為復(fù)雜，難以控制注入位置；最后，經(jīng)過原子序號小的粒子輻射后會發(fā)生二次核子反應(yīng)，造成輻射污染，具有較高危險性。
與此相比，模擬單粒子翻轉(zhuǎn)的第二種方式-故障注入的方法則彌補了上述缺點， 成為地面模擬單粒子翻轉(zhuǎn)的重要手段。尤其是利用SRAM型FPGA重配置特性進行的故障注入方法得到了極大的關(guān)注。但是也沒有解決實際應(yīng)用中用戶無法確定配置存儲單元刷新周期的問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，針對采用SRAM型FPGA實現(xiàn)的電路，利用其動態(tài)重配置的優(yōu)點，通過翻轉(zhuǎn)比特位即可人為的在FPGA中引入與單粒子翻轉(zhuǎn)同等效力的故障，一方面對設(shè)計電路配置存儲單元執(zhí)行多位隨機故障注入，替代輻射模擬，從而對電路設(shè)計防護手段的有效性進行評測；另一方面通過單位隨機故障注入，累積翻轉(zhuǎn)直到出現(xiàn)功能性錯誤，從而得到配置存儲單元的刷新周期。
一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，針對多位隨機翻轉(zhuǎn)方式，包括以下幾個步驟
步驟一初始配置；
測試開始后，首先控制器對被測芯片進行初始化配置；
步驟二 設(shè)定模擬輻射劑量和模擬輻射時間；
用戶設(shè)定模擬輻射劑量和模擬輻射時間；
步驟三確定翻轉(zhuǎn)比特位，并且，隨機翻轉(zhuǎn)M位比特位；
上位機根據(jù)用戶設(shè)定的模擬輻射劑量和模擬輻射時間，確定翻轉(zhuǎn)比特位的數(shù)量為 M，選擇以當前系統(tǒng)時間為種子的隨機函數(shù)，確定翻轉(zhuǎn)位的隨機位置，上位機發(fā)送隨機翻轉(zhuǎn)指令，控制器根據(jù)指令對被測芯片配置數(shù)據(jù)進行M位隨機翻轉(zhuǎn)，再將翻轉(zhuǎn)位所在數(shù)據(jù)幀重配置到被測芯片，完成動態(tài)重配置；
步驟四得到被測芯片輸出結(jié)果；
動態(tài)重配置完成后，比較被測芯片輸出結(jié)果和預(yù)知的正確結(jié)果，對被測芯片進行評測。
一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，針對單位隨機翻轉(zhuǎn)方式，包括以下幾個步驟
步驟一初始配置；
測試開始后，首先控制器對被測芯片進行初始化配置；
步驟二 進行一位隨機翻轉(zhuǎn)；
選擇以當前系統(tǒng)時間為種子的隨機函數(shù)，確定翻轉(zhuǎn)位的隨機位置，上位機發(fā)送隨機翻轉(zhuǎn)指令，控制器根據(jù)指令對被測芯片配置數(shù)據(jù)進行一位隨機翻轉(zhuǎn)，再將翻轉(zhuǎn)位所在數(shù)據(jù)幀重配置到被測芯片，完成動態(tài)重配置，翻轉(zhuǎn)數(shù)初始為1，以后每執(zhí)行一次步驟二，翻轉(zhuǎn)數(shù) N = N+1 ；
步驟三判斷是否產(chǎn)生錯誤；
動態(tài)重配置完成后，比較被測芯片輸出結(jié)果和預(yù)知的正確結(jié)果，若沒有引起結(jié)果錯誤，則返回步驟二重復(fù)翻轉(zhuǎn)和重配置過程，若檢測發(fā)現(xiàn)結(jié)果錯誤，則將翻轉(zhuǎn)數(shù)N上傳至上位機；
步驟四獲取刷新周期；
上位機根據(jù)被測芯片發(fā)生單粒子效應(yīng)的翻轉(zhuǎn)率來獲得配置存儲單元的刷新周期， 具體為
翻轉(zhuǎn)數(shù)N即為刷新閾值，根據(jù)(1)式獲取電路設(shè)計的刷新周期
P = N/λ(1)
其中，N為通過單位隨機故障注入累積獲得的刷新閾值，單位為bit ； λ為被測芯片的單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)率，單位為bit/day ；最終獲得用戶電路設(shè)計的刷新周期P，單位為 day ο
本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1)試驗花費時間較少；
(2)可以通過隨機故障注入，真實模擬空間中單粒子效應(yīng)；
(3)可以較準確得到配置存儲單元的刷新周期；
(4)根據(jù)用戶需求，自定義模擬輻射參數(shù)，對FPGA單粒子效應(yīng)防護手段進行評測。


圖1是本發(fā)明的針對多位隨機翻轉(zhuǎn)方式方法流程圖2是本發(fā)明的針對單位隨機翻轉(zhuǎn)方式方法流程圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明是一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，包括多位隨機翻轉(zhuǎn)和單位隨機翻轉(zhuǎn)兩種方式。
針對多位隨機翻轉(zhuǎn)方式，本發(fā)明的一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，流程如圖1所示，包括以下幾個步驟
步驟一初始配置；
測試開始后，首先控制器對被測芯片進行初始化配置；
步驟二 設(shè)定模擬輻射劑量和模擬輻射時間；
用戶設(shè)定模擬輻射劑量和模擬輻射時間；
步驟三確定翻轉(zhuǎn)比特位，并且，隨機翻轉(zhuǎn)M位比特位；
上位機根據(jù)用戶設(shè)定的模擬輻射劑量和模擬輻射時間，確定翻轉(zhuǎn)比特位的數(shù)量為 M，選擇以當前系統(tǒng)時間為種子的隨機函數(shù)，確定翻轉(zhuǎn)位的隨機位置，上位機發(fā)送隨機翻轉(zhuǎn)指令，控制器根據(jù)指令對被測芯片(FPGA)配置數(shù)據(jù)進行M位隨機翻轉(zhuǎn)，再將翻轉(zhuǎn)位所在數(shù)據(jù)幀重配置到被測芯片，完成動態(tài)重配置；
步驟四得到被測芯片輸出結(jié)果；
動態(tài)重配置完成后，比較被測芯片輸出結(jié)果和預(yù)知的正確結(jié)果，從而對電路設(shè)計防護手段的有效性進行評測。
針對單位隨機翻轉(zhuǎn)方式，本發(fā)明的一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，流程如圖2所示，包括以下幾個步驟
步驟一初始配置；
測試開始后，首先控制器對被測芯片(FPGA)進行初始化配置；
步驟二 進行一位隨機翻轉(zhuǎn)；
選擇以當前系統(tǒng)時間為種子的隨機函數(shù)，確定翻轉(zhuǎn)位的隨機位置，上位機發(fā)送隨機翻轉(zhuǎn)指令，控制器根據(jù)指令對被測芯片(FPGA)配置數(shù)據(jù)進行一位隨機翻轉(zhuǎn)，再將翻轉(zhuǎn)位所在數(shù)據(jù)幀重配置到被測芯片，完成動態(tài)重配置，翻轉(zhuǎn)數(shù)初始為1，以后每執(zhí)行一次步驟二， 翻轉(zhuǎn)數(shù)N = N+1 ；
步驟三判斷是否產(chǎn)生錯誤；
動態(tài)重配置完成后，比較被測芯片輸出結(jié)果和預(yù)知的正確結(jié)果，若沒有引起結(jié)果錯誤，則返回步驟二重復(fù)翻轉(zhuǎn)和重配置過程，若檢測發(fā)現(xiàn)結(jié)果錯誤，則將翻轉(zhuǎn)數(shù)N上傳至上位機；
步驟四獲取刷新周期；
上位機根據(jù)被測芯片發(fā)生單粒子效應(yīng)的翻轉(zhuǎn)率來獲得配置存儲單元的刷新周期， 具體為
翻轉(zhuǎn)數(shù)N即為刷新閾值，根據(jù)(1)式獲取電路設(shè)計的刷新周期
P = N/λ(1)
其中，N為通過單位隨機故障注入累積獲得的刷新閾值，單位為bit。λ為被測芯片的單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)率，單位為bit/day。最終獲得用戶電路設(shè)計的刷新周期P，單位為 day ο
經(jīng)過多次測試，獲取多個刷新周期P，取P的平均值，最終獲得平均刷新周期。
本發(fā)明利用FPGA的部分動態(tài)重配置技術(shù)，提出隨機翻轉(zhuǎn)故障注入試驗方法。隨機翻轉(zhuǎn)故障注入即對具體電路設(shè)計生成的配置位進行隨機位置翻轉(zhuǎn)，再重配置到FPGA中，檢測翻轉(zhuǎn)位對設(shè)計輸出的影響。
本發(fā)明的多位隨機翻轉(zhuǎn)方式，根據(jù)輻照試驗獲得的輻照時間、輻照劑量等對應(yīng)的翻轉(zhuǎn)位總數(shù)，通過隨機翻轉(zhuǎn)相同的數(shù)量，替代輻射模擬的方法，對電路設(shè)計防護手段的有效性進行評測；單位隨機翻轉(zhuǎn)方式重復(fù)單位隨機故障注入過程，直到發(fā)生功能性錯誤，最終計算得到配置存儲單元的刷新周期。
綜上所述，本發(fā)明針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，既可以通過單位隨機翻轉(zhuǎn)的累積來最終獲得刷新周期，也可以通過多位隨機翻轉(zhuǎn)模擬輻射注入方法為電路設(shè)計的防護有效性進行評測。隨機故障注入方法將實際的時間、空間二維故障模型進行了簡化，壓縮了時間維度，以空間的隨機實現(xiàn)了模擬實際二維故障的功能。
權(quán)利要求
1.一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，其特征在于，針對多位隨機翻轉(zhuǎn)方式，包括以下幾個步驟步驟一初始配置；測試開始后，首先控制器對被測芯片進行初始化配置； 步驟二 設(shè)定模擬輻射劑量和模擬輻射時間； 用戶設(shè)定模擬輻射劑量和模擬輻射時間； 步驟三確定翻轉(zhuǎn)比特位，并且，隨機翻轉(zhuǎn)M位比特位；上位機根據(jù)用戶設(shè)定的模擬輻射劑量和模擬輻射時間，確定翻轉(zhuǎn)比特位的數(shù)量為M，選擇以當前系統(tǒng)時間為種子的隨機函數(shù)，確定翻轉(zhuǎn)位的隨機位置，上位機發(fā)送隨機翻轉(zhuǎn)指令， 控制器根據(jù)指令對被測芯片配置數(shù)據(jù)進行M位隨機翻轉(zhuǎn)，再將翻轉(zhuǎn)位所在數(shù)據(jù)幀重配置到被測芯片，完成動態(tài)重配置；步驟四得到被測芯片輸出結(jié)果；動態(tài)重配置完成后，比較被測芯片輸出結(jié)果和預(yù)知的正確結(jié)果，對被測芯片進行評測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，其特征在于，被測芯片為FPGA。
3.一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，針對單位隨機翻轉(zhuǎn)方式，其特征在于，包括以下幾個步驟步驟一初始配置；測試開始后，首先控制器對被測芯片進行初始化配置； 步驟二 進行一位隨機翻轉(zhuǎn)；選擇以當前系統(tǒng)時間為種子的隨機函數(shù)，確定翻轉(zhuǎn)位的隨機位置，上位機發(fā)送隨機翻轉(zhuǎn)指令，控制器根據(jù)指令對被測芯片配置數(shù)據(jù)進行一位隨機翻轉(zhuǎn)，再將翻轉(zhuǎn)位所在數(shù)據(jù)幀重配置到被測芯片，完成動態(tài)重配置，翻轉(zhuǎn)數(shù)初始為1，以后每執(zhí)行一次步驟二，翻轉(zhuǎn)數(shù)N = N+1 ；步驟三判斷是否產(chǎn)生錯誤；動態(tài)重配置完成后，比較被測芯片輸出結(jié)果和預(yù)知的正確結(jié)果，若沒有引起結(jié)果錯誤， 則返回步驟二重復(fù)翻轉(zhuǎn)和重配置過程，若檢測發(fā)現(xiàn)結(jié)果錯誤，則將翻轉(zhuǎn)數(shù)N上傳至上位機； 步驟四獲取刷新周期；上位機根據(jù)被測芯片發(fā)生單粒子效應(yīng)的翻轉(zhuǎn)率來獲得配置存儲單元的刷新周期，具體為翻轉(zhuǎn)數(shù)N即為刷新閾值，根據(jù)(1)式獲取電路設(shè)計的刷新周期 P = N/λ(1)其中，N為通過單位隨機故障注入累積獲得的刷新閾值，單位為bit; λ為被測芯片的單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)率，單位為bit/day ；最終獲得用戶電路設(shè)計的刷新周期P，單位為day。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，其特征在于，被測芯片為FPGA。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，其特征在于，重復(fù)步驟一至步驟四，經(jīng)過多次測試，獲取多個刷新周期P，取P的平均值，最終獲得平均刷新周期。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種針對SRAM型FPGA的隨機翻轉(zhuǎn)故障注入方法，針對采用SRAM型FPGA實現(xiàn)的電路，利用其動態(tài)重配置的優(yōu)點，通過翻轉(zhuǎn)比特位即可人為的在FPGA中引入與單粒子翻轉(zhuǎn)同等效力的故障，一方面對設(shè)計電路配置存儲單元執(zhí)行多位隨機故障注入，替代輻射模擬，從而對電路設(shè)計防護手段的有效性進行評測；另一方面通過單位隨機故障注入，累積翻轉(zhuǎn)直到出現(xiàn)功能性錯誤，從而得到配置存儲單元的刷新周期。
文檔編號G01R31/3185GK102540062SQ20111045196
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者宋鏡明, 張家銘, 張忠鋼, 朱明達, 李安琪, 潘雄, 金靖 申請人:北京航空航天大學(xué)