一种基于辐照试验环境模拟的sram型fpga测试方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航空航天领域，具有涉及一种基于辐照试验环境模拟的SRAM型FPGA测 试方法。
【背景技术】
[0002] SRAM(Static Random Access Memory)型FPGA(Field Programmable Gate Arrays)因具备可重复编程、开发周期短、集成度高等优点，在航空航天领域得到了越来越 多的关注和应用。然而，在空间环境下，高能粒子轰击导致的单粒子效应（Single Event Effect，SEE)尤其是单粒子翻转(Single Event Upset，SEU)严重影响了航空航天器件的可 靠性。因此，在应用前，必须对用户设计进行可靠性评估。
[0003] 针对SRAM型FPGA设计，目前常用的可靠性评估方法有地面辐照试验和故障注入两 种。前者使用加速器产生不同LET值和注量率的重离子、质子和中子，模拟空间环境对目标 器件进行辐照测试，不仅能够得到器件的静态翻转截面〇 statl。曲线，还可获取不同电路的动 态翻转截面〇dynami。曲线，为预估空间在轨翻转率和失效率提供依据，试验结果真实可靠。但 国内重离子辐照试验资源有限，机时难以申请，一次试验成本较高，操作复杂且容易造成辐 射污染，具有较高危险性。后者则是通过修改FPGA中配置存储器数据，将翻转故障引入目标 电路中来模拟单粒子翻转对系统的作用效果，实现对使用SRAM型FPGA的系统进行可靠性评 估。
[0004] 故障注入利用的是SRAM型FPGA的动态可重构特性，主要有逐位注入和累积注入两 种方式。
[0005] 逐位注入采用遍历式的故障注入方法，找出电路中所有的敏感位和电路的敏感因 子ε，结合辐照试验得到的器件静态翻转截面σ static，便可计算出该电路的动态翻转截面 〇dynami。曲线。该方法精度较高，但其评估试验的耗时与FPGA的配置存储器容量成正比，随着 芯片规模的不断增大，试验耗时也会增大到不可接受的程度。通过反向解码配置文件和仿 真分析网表文件，可以得到电路的敏感位列表，减少逐位注入的评估时间。但该方法仅在 Xilinx早期的Virtex FPGA中实现，且用于反向解码的JBits工具也不再开放使用。此外，逐 位注入方法没有考虑故障累积效应，无法全面评估系统可靠性。
[0006] 累积注入则通过连续注入随机故障，虽然相对逐位注入其精度有所下降，但可减 少评估试验的时间。然而，目前的累积注入方法的注入速度选择没有明确的依据，且未考虑 入射粒子LET值和注量率对评估试验结果的影响，不能如辐照试验一样获取系统电路功能 中断截面随LET值变化的关系曲线，从而影响对系统电路的全面评估。
[0007] 专利CN102540062A提出一种针对SRAM型FPGA的随机翻转故障注入方法，利用动态 重构技术，一方面通过翻转比特位注入多位随机故障，替代辐照试验，另一方面通过单位随 机故障注入，累积翻转直到出现功能性错误，从而得到配置存储单元的刷新周期。前者根据 模拟的辐照剂量和辐照时间，计算出翻转比特位M，并确定翻转位的随机位置，将翻转位所 在数据帧重新配至被测芯片中，完成故障注入。接着比较被测芯片的输出结果和与之的正 确结果，对其进行评测。后者则通过逐个注入故障，累积翻转直至出现功能性错误，得到翻 转数N，结合芯片单粒子效应翻转率计算出电路设计的刷新周期Ρ = Ν/λ。图1中分别示出了 针对多位随机翻转方式方法和针对单位随机翻转方式方法的流程图。
[0008] 然而，现有技术存在如下技术问题：
[0009] (1)地面辐照试验后被测器件因受到损伤无法继续使用，成本高昂，试验难度大， 且试验参数调整麻烦，有可能造成辐射污染，具有较高的危险性。且国内辐照试验机时申请 困难，试验时间有限；
[0010] (2)专利CN102540062A模拟辐照剂量和辐照时间，却不能像辐照试验一样得到电 路设计的动态翻转截面与入射粒子LET值、注量率Flux等参数之间的关系曲线，测试结果参 考价值有限。且该发明在计算出比特位翻转数目Μ后，仅通过一次部分重构便将所有的故障 注入电路设计中，与真实的辐照试验环境不符；
[0011] (3)专利CN102540062A需要额外采用一种单位随机翻转的方式方法才能计算出 电路设计的刷新周期，操作较复杂；
[0012] (4)专利CN102540062A仅考虑单比特位翻转(SBU)故障类型，但随着器件特征尺寸 的减小，单个粒子入射有可能在多个相邻ΡΝ结发生电荷收集，引发多比特位翻转(MBU);
[0013] (5)专利CN102540062A需要额外使用一种方法，专门用于求取刷新周期，操作相对 复杂，效率较低。
【发明内容】
[0014] (一)要解决的技术问题
[0015] 本发明的目的在于，提供一种基于辐照试验环境模拟的SRAM型FPGA测试方法，能 在辐照试验前对FPGA的单粒子翻转特性进行定量分析，进而验证系统可靠性，提高FPGA的 设计效率，降低设计成本和试验成本。
[0016] (二)技术方案
[0017] 本发明提供一种基于辐照试验环境模拟的SRAM型FPGA测试方法，包括：
[0018] S1，输入模拟辐照试验的试验参数；
[0019] S2,根据所述试验参数，计算出故障注入参数速度V及相邻两次注入故障之间的时 间间隔t，并确定不同故障类型的比例；
[0020] S3，随机选取故障地址及该地址的故障类型；
[0021] S4,根据故障注入速度V及时间间隔t持续向FPGA注入所述故障地址及其故障类 型，以对所述FPGA进行测试，在FPGA输出功能错误时，记录功能错误次数N及等效注量f。 [00 22](三)有益效果
[0023]本发明具有以下优点：
[0024] 1、利用故障注入模拟地面辐照试验，对器件无损伤，且操作简单，参数调节灵活， 过程安全无污染，可在辐照试验前对电路的单粒子翻转特性进行定量分析，进而验证系统 可靠性，提高系统电路的设计效率，降低设计成本和试验成本；
[0025] 2、根据模拟入射粒子的LET值、注量率Flux及注量Fluence，确定故障注入速度及 相邻两次注入故障之间的时间间隔，依据该速度及时间间隔连续地注入各个故障，更真实 地模拟辐照试验环境；
[0026] 3、建立入射粒子LET值、Flux与故障注入之间的关系，可以定量评估入射粒子LET 值和注量率对系统电路加固效果的影响，得到如辐照试验一样的系统电路功能中断截面随 LET值变化的关系曲线，并可根据该曲线计算出电路在特定轨道的失效率及其刷新周期；
[0027] 4、根据模拟入射粒子的LET值，确定不同故障类型的比例，并按照该比例随机地选 择单次注入的故障类型，可全面准确地评估电路系统的可靠性。
【附图说明】
[0028] 图1是现有技术中随机翻转故障注入方法的流程图。
[0029] 图2是本发明提供的基于辐照试验环境模拟的SRAM型FPGA测试方法的流程图。
【具体实施方式】
[0030] 本发明提供一种基于辐照试验环境模拟的SRAM型FPGA测试方法，对采用SRAM型 FPGA实现的电路进行故障注入，通过持续向电路中注入随机地址和随机类型的单粒子翻转 故障，模拟地面辐照试验中入射粒子LET值、注量率Flux和注量Fluence等参数对电路的影 响，对电路加固设计的有效性进行定量评估。本发明可获取电路动态翻转截面随LET值变化 的特性曲线，预估其在轨失效率。
[0031] 根据本发明的一种实施方式，基于辐照试验环境模