一种片上系统单粒子效应测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于单粒子效应测试领域，具体涉及一种片上系统单粒子效应测试方法。
【背景技术】
[0002]数字电路系统在空间辐射环境中，由于宇宙射线与高能粒子的辐照作用，有可能导致系统的半导体器件产生单粒子效应，严重影响数字电路系统的可靠性、有效性以及使用寿命。片上系统(SoC)根据其不同的功能需求包含了不同的数字电路、模拟电路、外设接口以及复杂的总线系统，并且体积小、质量轻、频率高、性能良好，因此其在航空航天领域有一定的应用价值。然而，半导体器件尺寸越来越小和工作电压越来越低，都意味着更容易产生单粒子效应，而且片上系统将多个功能模块集成在一个芯片上，错误类型将更加复杂，测量方法也更加复杂。因此，对于片上系统(SoC)单粒子效应测试尚未有统一的测试方法。
[0003]对于空间应用的片上系统，应该明确其内部的敏感模块，采用一定的方法进行抗核加固，使其满足空间应用需求。因此，需要对片上系统内部不同的功能模块在线测试，基于地面单粒子效应模拟实验。
【发明内容】
[0004]为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种片上系统单粒子效应测试方法，能够进行在线准确测试片上系统内部不同功能模块的单粒子效应。
[0005]为达到以上目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种片上系统单粒子效应测试方法，包括对片上系统微处理器中的寄存器、高速数据缓存D-cache、整数运算单元ALU、浮点运算单元FPU、直接内存存取DMA、片外及片内存储器以及外设单元进行单粒子效应动态测试；
[0007]所述测试方法包括如下步骤:
[0008]步骤1:在辐照试验前搭建好测试系统，包括设置在主控室中的上位机和电流测试模块以及设置在辐照间的功能测试模板，所述电流测试模块包括MSP430、放大电路和采样电阻R，所述功能测试模板包括SoC测试板和芯片；；所述电流测试模块，主要是通过将采样电阻R上的电压经过放大电路放大，然后经过AD转换及相应运算换算成电流值；所述上位机通过USB延长线与测试板的USB-UART线连接，采样电阻R接在上位机USB延长线内部的+5V的电源线上，放大电路将采样电阻上的电压经过放大后，由MAP430单片机经过AD转换及相关运算，最终将电流值输出在上位机软件上；
[0009]步骤2:通过上位机选择测试模块以及测试的次数，所述测试模块包括片上系统微处理器中的寄存器、高速数据缓存D-cache、整数运算单元ALU、浮点运算单元FPU、直接内存存取DMA、片外及片内存储器以及外设单元；辐照过程中循环测试片上系统中一个或者多个上述测试模块；
[0010]步骤3:检测测试模块的功能是否正常，所有的测试结果保存在日志中，包括电流值；
[0011]步骤4:当辐照注量或者累计的单粒子效应发生次数达到要求时停止测试；
[0012]步骤5:打开日志，统计错误结果。
[0013]所述对片上系统微处理器中的寄存器进行单粒子效应动态测试包括如下步骤:
[0014]I)保存被测试寄存器的初始值到外部存储器中；
[0015]2)在辐照时对被测试寄存器进行赋值操作，赋值完成后，保存寄存器的当前值在外部存储器中；
[0016]3)将外部存储器中被测试寄存器值与所赋的值进行比较，若两个值不相同，则说明发生了单粒子效应；
[0017]4)测试结束，被测试寄存器返回初始值；
[0018]5)上位机记录单粒子效应发生的次数以及错误数据。
[0019]所述对片上系统微处理器中的高速数据缓存D-cache进行单粒子效应动态测试包括如下步骤:
[0020]I)辐照时对高速数据缓存D-Cache进行赋值，赋值完成后将D-Cache中的数据写入外部存储器中；
[0021]2)对高速数据缓存D-Cache写入新值，然后使新写入的值无效，将外部存储器中已知的值重新写入高速数据缓存D-Cache中；
[0022]3)比较高速数据缓存D-Cache中的值是否为外部存储器中的值，若不相同，说明高速数据缓存D-Cache内部发生了单粒子效应；
[0023]上位机记录单粒子发生的次数及错误数据。
[0024]所述对片上系统微处理器中的整数运算单元ALU进行单粒子效应动态测试包括如下步骤:
[0025]I)辐照时整数运算单元ALU执行数学运算、逻辑运算以及移位运算；
[0026]2)将上述运算的结果与未辐照时正确的结果进行比较，若结果不一致，说明整数运算单元(ALU)发生了单粒子效应；
[0027]3)上位机记录单粒子效应发生的次数及错误数据。
[0028]所述对片上系统微处理器中的浮点运算单元FPU进行单粒子效应动态测试包括如下步骤:
[0029]I)辐照时系统执行快速傅里叶变化(FFT)运算；
[0030]2)将上述辐照时的运算结果与未辐照时正确的运算结果进行比较，若结果不一致，说明浮点运算单元FPU发生了单粒子效应；
[0031 ] 3)上位机记录单粒子效应发生的次数及错误数据。
[0032]所述对片上系统微处理器中的直接内存存取DMA进行单粒子效应动态测试包括如下步骤:
[0033]I)初始化直接内存存取DMA中的所有通道；
[0034]2)将外部存储器划分为两个相同大小的数据存储区，其中一个存储区写满已知数据；
[0035]3)辐照时打开直接内存存取DMA，将一个存储区的数据传递到另外一个存储区；
[0036]4)对比两个存储区的数据，若发现数据不同，则说明发生了单粒子事件；
[0037]5)上位机记录单粒子效应发生的次数及错误数据。
[0038]所述对片上系统微处理器中的片外及片内存储器进行单粒子效应动态测试包括如下步骤:
[0039]I)初始化已知地址范围内的存储器数据；
[0040]2)辐照时向片外及片内存储器中不断的写入和读出数据；
[0041]3)比较写入数据和读出数据，若不同，说明片外及片内存储器内部发生了单粒子效应；
[0042]4)上位机记录单粒子效应发生的次数、错误的数据以及错误地址。
[0043]所述对片上系统微处理器中的外设单元进行单粒子效应动态测试包括如下步骤:
[0044]I)对外设部分的控制寄存器进行赋值，然后读取返回值进行比较，若返回值不同于所赋的值，则说明该外设单元发生单粒子效应；
[0045]2)上位机记录出错外设单元、出错状态以及单粒子效应发生的次数。
[0046]测试时打开看门狗定时器，当片上系统测试过程中出现程序终止或系统崩溃时自动复位，重新开始测试。
[0047]和现有技术相比较，本发明具备如下优点:
[0048](I)片上系统(SoC)内部结构复杂，功能模块较多，因此目前关于片上系统单粒子效应测试方法较少，相比于现有的技术，本发明能够系统的对片上多个功能模块进行测试，对片上系统的基本组成部分测试的比较全面。对不同模块的单粒子效应测试，可以客观地评价片上系统的不同模块敏感性，为片上系统抗辐射能力进行评估。
[0049](2)本发明连接方便，自动化程度较高，能够方便快捷地对测试板在辐照环境下的工况进行检测，并且数据处理方便，上位机已经对测试的结果进行了数学统计，测试者可以直接获得多次测试的结果和具体的测试时间信息，能够大量减少实验进行前的准备工作，以及试验结束后数据处理的时间。
【附图说明】
[0050]图1为本发明一种片上系统单粒子效应测试方法组成部分。
[0051]图2为本发明一种片上系统单粒子效应测试方法上位机管理软件功能图
[0052]图3为本发明一种片上系统单粒子效应测试方法控制流程图
[0053]图4为本发明一种片上系统单粒子效应测试方法下位机测试程序功能图。
【具体实施方式】
[0054]以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0055]如图1所示，说明了本发明测试方法的几个组成部分，包括上位机控制单元、电流测试模块和下位机SoC测试板。图中主控室中的计算机运行上位机控制软件，电流检测单元主要是通过对采样电阻R上的电压经过放大电路放大，然后通过MSP430单片机AD转换后，经过换算得出工作电流值。测试板位于辐照间，测试时辐照源垂直于SoC芯片。
[0056]如图2所示，为上位机管理软件的几个主要功能。包括串口配置，测试方式配置，测试类型配置，测试流程控制，日志管理，串口通信，协议分析以及测试信息统计。通过上位机软件配置下位机测试板，选择测试方式，包括测试模块和测试次数。上位机控制整个测试流程，测试结束后，测试结果自动保存在日志内。
[0057]如图3所示，为本发明片上系统单粒子效应测试方法的控制流程:
[0058]步骤1:在辐照试验前搭建好测试系统，包括设置在主控室中的上位机和电流测试模块以及设置在辐照间的功能测试模板，所述电流测试模块包括MSP430、放大电路和采样电阻R，所述功能测试模板包括SoC测试板和芯片；所述电流测试模块，主要是通过将采样电阻R上的电压经过放大电路放大，然后经过AD转换及相应运算换算成电流值；上位机通过USB延长线与测试板的USB-UART线连接，采样电阻R接在USB延长线内部的+5V的电源线上，放大电路将采样电阻上的电压经过放大后，由MAP430单片机经过AD转换及相关运算，最终将电流值输出在上位机软件上；
[0059]步骤2:通过上位机选择测试模块以及测试的次数，所述测试模块包括片上系统微处理器中的寄存器、高速数据缓存D-cache、整数运算单元ALU、浮点运算单元FPU、直接内存存取DMA、片外及片内存储器以及外设单元；辐照过程中循环测试片上系统中一个或者多个上述测试模块；
[0060]步骤3:检测测试模块的功能是否正常，所有的测试结果保存在日志中，包括电流值；
[0061]步骤4:当辐照注量或者累计的单粒子效应发生的次数达到要求时停止测试(直到错误次数超过100或者辐