一种利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传播过程的方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传播过程的方法，其特征在于，将系统进行功能模块划分，分析功能模块之间信号联系和逻辑关系相互影响因素，确定单粒子软错误传播耦合因子；然后，建立系统的单粒子软错误耦合矩阵，修改两两功能模块之间耦合因子对应的矩阵元；接下来，建立系统功能模块的故障状态向量，模拟功能模块发生单粒子软错误发生之后系统故障状态向量的变化，统计系统发生故障的功能模块数，分析单粒子软错误在系统中的传播影响过程。本发明具有原理简单、操作易行、分析结果合理有效等优点。
【专利说明】一种利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传播过程的 方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及到电子系统可靠性分析【技术领域】，特指一种利用故障耦合矩阵分 析系统单粒子软错误传播过程的方法。
【背景技术】
[0002] 大规模集成电路在空间电子仪器的成功而使其被广泛的运用，它显示出其出色的 任务管理和信号处理能力；然而由于空间辐射效应，如单粒子软错误，其运行稳定性受到严 重威胁，而且这种威胁随着CMOS电路制作工艺的减小而日趋严峻，但当前仅从加工工艺、 器件结构等方面进行加固已明显不足，需要从系统层面进行设计来提高整个电子系统的运 行稳定性。
[0003] 从系统层面进行加固的主要目标是确保系统的稳定性，而不是如何降低每个器件 或者电路模块的单粒子软错误率，是要降低整个系统的功能失效率。需要对系统中的关键 功能模块进行有针对性的加固，从而提升整个系统的防辐射性能。这就需要分析单粒子软 错误在系统中的传播过程，此过程可以描述为：单粒子软错误的发生后，对应的功能模块出 现故障，并且经过功能模块与其他模块的故障耦合和传播，故障扩散到输出端，有一定几率 导致系统的输出错误或功能失效，最终一个单粒子软错误却引起整个系统的功能失效。单 粒子软错误在如航天电子系统等大规模的集成电路中传播，由于路径复杂、系统巨大等原 因，导致系统单粒子软错误传播过程分析上存在困难。
[0004] 目前，对分析单粒子软错误的传播方面的研究相对较少，尤其在系统层面，大部分 的分析都是基于器件级和电路级的，利用2D、3D器件模型或者电路网表注入单粒子故障的 形式来模拟电路中的单粒子软错误传播。而在系统层面，软错误由于过于抽象，具体的电路 建模过程过于复杂，而且分析难度极大。所以需要借助一些在系统层面研究故障传播的有 效方法，如多信号流图、元胞自动机、马尔科夫模型等，通过对系统的抽象在更高的层次分 析软错误的传播过程。单粒子软错误发生在系统的一个晶体管或者存储单元，但最终却可 能导致系统的功能失效，这个过程涉及到单粒子软错误在系统中的传播扩散。随着电路规 模的越来越大，从实际的物理层面完整的分析单粒子软错误的传播过程是不可能的。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种原理简单、操作易行、分析结果合理有效的利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传 播过程的方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传播过程的方法，其特征在于，将 系统进行功能模块划分，分析功能模块之间信号联系和逻辑关系相互影响因素，确定单粒 子软错误传播耦合因子；然后，建立系统的单粒子软错误耦合矩阵，修改两两功能模块之间 耦合因子对应的矩阵元；接下来，建立系统功能模块的故障状态向量，模拟功能模块发生单 粒子软错误发生之后系统故障状态向量的变化，统计系统发生故障的功能模块数，分析单 粒子软错误在系统中的传播影响过程。
[0008] 作为本发明的进一步改进：所述功能模块是能够完成独立任务的单元，组合起来 构成整个系统。
[0009] 作为本发明的进一步改进：将所述电路系统划分为N个功能模块后，功能模块的 故障相互耦合概率用一个NXN的矩阵表示，即为单粒子软错误耦合矩阵；一个所述功能模 块故障对另一个所述功能模块输出结果的影响概率记为相应的一个矩阵元，在系统中故障 每传播一步即为系统各个功能模块的故障状态向量与该矩阵相乘一次。
[0010] 作为本发明的进一步改进：将单粒子软错误敏感系统的各个功能模块的状态视为 一个行向量，当系统处在正常运行状态时，每个功能模块的故障概率即对应向量矩阵单元 值为〇;假设某一功能模块发生单粒子软错误，相应的向量矩阵单元值由〇变为大于等于1， 然后利用单粒子软错误耦合矩阵，模拟其在系统中的传播过程。
[0011] 作为本发明的进一步改进：在传播过程中设定一个故障阈值，当功能模块的故障 概率大于该阈值时，即认为该功能模块处在故障状态，在模拟过程中记录处在故障状态的 功能模块数；当处于故障状态的功能模块数不再发生变化，即认为单粒子软错误的传播过 程已经结束，此时系统的故障功能模块数为系统最终的单粒子软错误传播演化状态。
[0012] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的一种利用故障耦合矩阵分析系统 单粒子软错误传播过程的方法，从抽象的系统层面，对系统进行功能模块划分，分析功能模 块发生单粒子软错误后系统各个模块故障状态的变化过程；本发明方法的实现过程具有简 单易行，分析结果合理有效的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本发明方法的流程示意图。
[0014] 图2是本发明在具体应用实例中的原理示意图。
【具体实施方式】
[0015] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0016] 本发明的一种利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传播过程的方法，该方法 是通过将系统进行功能模块划分，分析功能模块之间信号联系和逻辑关系等相互影响因 素，确定单粒子软错误传播耦合因子；然后，建立系统的单粒子软错误耦合矩阵，修改两两 功能模块之间耦合因子对应的矩阵元；接下来，建立系统功能模块的故障状态向量，模拟功 能模块发生单粒子软错误发生之后系统故障状态向量的变化，统计系统发生故障的功能模 块数，分析单粒子软错误在系统中的传播影响过程。本发明的方法能够实现电路系统故障 传播过程直观定量的分析，分析结果可以指导对于电路系统故障脆弱点的加固设计。
[0017] 简单来说，本发明的方法是利用矩阵的思想，将电路系统划分为N个功能模块，而 功能模块的故障相互耦合概率可以用一个NXN的矩阵表示，一个功能模块故障对另一个 功能模块输出结果的影响概率记为相应的一个矩阵元，在系统中故障每传播一步即为系统 各个功能模块的故障状态与该矩阵相乘一次。
[0018] 如图1所示，在本实施例中，本发明的详细流程为：
[0019] (1)针对单粒子软错误敏感系统，依据其物理连接、信号流向和功能实现对其进行 功能模块划分，即将系统划分成N个功能模块；所述功能模块是能够完成独立任务的单元， 组合起来构成整个系统；所述划分方法可以根据实际情况进行选择，划分的原则是使功能 模块的个数、连接关系和模块间逻辑关系达到合理状态，使单粒子软错误传播过程便于分 析。
[0020] (2)依据功能模块之间两两的物理连接及功能逻辑关系，评估功能模块之间的故 障传播影响，确定功能模块之间的单粒子软错误耦合因子，如功能模块i对功能模块j的耦 合因子记为w ijt)
[0021] (3)根据上述步骤（1)和（2)得到的功能模块划分和功能模块之间的单粒子软错 误耦合因子，建立单粒子软错误敏感系统的单粒子软错误耦合矩阵。即，建立一个NXN的 零矩阵，根据相应模块耦合因子对矩阵的矩阵元进行修改，如第i行第j列的元素从零替换 为w u，将相互邻接存在影响的功能模块对应的耦合因子替换之后形成单粒子软错误耦合矩 阵。
[0022] (4)将单粒子软错误敏感系统的各个功能模块的故障状态视为一个行向量，当系 统处在正常运行状态时，每个功能模块的故障概率即对应向量矩阵单元值为0。
[0023] (5)假设某一功能模块发生单粒子软错误，相应的向量矩阵单元值由0变为大于 等于1，然后利用单粒子软错误耦合矩阵，模拟其在系统中的传播过程。利用系统功能模块 的软错误状态向量与耦合矩阵相乘来模拟系统各个功能模块的状态变化，每次传播即相乘 一次。
[0024] (6)设定一个故障阈值，当功能模块的故障概率（即功能模块行向量的单元值）大 于该阈值时，即认为该功能模块处在故障状态，在模拟过程中记录处在故障状态的功能模 块数；当处于故障状态的功能模块数不再发生变化，即认为单粒子软错误的传播过程已经 结束，此时系统的故障功能模块数（即故障规模）为系统最终的单粒子软错误传播演化状 态。
[0025] 在一个具体应用实例中，本发明针对一个对单粒子软错误敏感的电路系统，利用 耦合矩阵分析其单粒子软错误传播过程，具体的实施步骤如下；
[0026] 1、由于单粒子软错误敏感的电路系统较为复杂，如图2所示，将其分为六个功能 模块，每个功能模块是能够完成独立任务的单元，其中功能模块6为系统的输出。
[0027] 2、分析各个功能模块间的信号流向和逻辑关系，确定功能模块间的故障耦合因 子。功能模块间不为〇的故障稱合因子为》 12、￥24、￥23、￥26、￥32、￥ 42、￥45、￥56，系统中功能模块 对自身的耦合因子为1。
[0028] 3、依据系统的功能模块划分和所确定的故障耦合因子，整个系统的故障耦合矩阵 为：
[0029]
【权利要求】
1. 一种利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传播过程的方法，其特征在于，将系 统进行功能模块划分，分析功能模块之间信号联系和逻辑关系相互影响因素，确定单粒子 软错误传播耦合因子；然后，建立系统的单粒子软错误耦合矩阵，修改两两功能模块之间耦 合因子对应的矩阵元；接下来，建立系统功能模块的故障状态向量，模拟功能模块发生单粒 子软错误发生之后系统故障状态向量的变化，统计系统发生故障的功能模块数，分析单粒 子软错误在系统中的传播影响过程。
2. 根据权利要求1所述的利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传播过程的方法， 其特征在于，所述功能模块是能够完成独立任务的单元，组合起来构成整个系统。
3. 根据权利要求1或2所述的利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传播过程的方 法，其特征在于，将所述电路系统划分为N个功能模块后，功能模块的故障相互耦合概率用 一个NXN的矩阵表示，即为单粒子软错误耦合矩阵；一个所述功能模块故障对另一个所述 功能模块输出结果的影响概率记为相应的一个矩阵元，在系统中故障每传播一步即为系统 各个功能模块的故障状态向量与该矩阵相乘一次。
4. 根据权利要求3所述的利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传播过程的方法， 其特征在于，将单粒子软错误敏感系统的各个功能模块的状态视为一个行向量，当系统处 在正常运行状态时，每个功能模块的故障概率即对应向量矩阵单元值为0 ;假设某一功能 模块发生单粒子软错误，相应的向量矩阵单元值由0变为大于等于1，然后利用单粒子软错 误耦合矩阵，模拟其在系统中的传播过程。
5. 根据权利要求4所述的利用故障耦合矩阵分析系统单粒子软错误传播过程的方法， 其特征在于，在传播过程中设定一个故障阈值，当功能模块的故障概率大于该阈值时，即认 为该功能模块处在故障状态，在模拟过程中记录处在故障状态的功能模块数；当处于故障 状态的功能模块数不再发生变化，即认为单粒子软错误的传播过程已经结束，此时系统的 故障功能模块数为系统最终的单粒子软错误传播演化状态。
【文档编号】G06F11/36GK104123225SQ201410352364
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】杨俊 , 王跃科, 邢克飞, 何伟, 胡梅, 杨道宁, 刘思恺 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学