一种基于元胞自动机的单粒子软错误系统级传播分析方法
【专利摘要】一种基于元胞自动机的单粒子软错误系统级传播分析方法，其步骤为：(1)功能模块划分；分析系统的硬件结构、接口特性和功能实现逻辑，将系统进行功能模块划分，每个功能模块均是能够完成独立任务的子电路系统；(2)建立元胞空间，构建元胞自动机；将整个系统视作一个元胞空间，每个功能模块视为其中一个元胞，依据元胞的连接关系选择合适的邻居关系；确定元胞间的耦合度和传播规则；确定元胞的状态演化过程；(3)进行传播分析；假设某一功能模块发生单粒子软错误，即相对应的元胞加入故障扰动，依据传播规则分析系统中单粒子软错误的传播过程及影响。本发明具有原理简单、操作简便、复杂度低、能够提高分析方法精度等优点。
【专利说明】一种基于元胞自动机的单粒子软错误系统级传播分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及到于电子系统可靠性分析领域，特指一种基于元胞自动机的单粒 子软错误系统级传播分析方法。
【背景技术】
[0002] 运行在空间辐射环境或者核爆炸环境中的电子系统极易受到单粒子效应的影响， 单粒子效应虽然发生在系统的某一部位或模块，但在单粒子软错误的发生后，对应的功能 模块会出现故障，并且经过功能模块与其他模块的故障耦合和传播，故障会扩散到输出端， 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，所以必须针对系统中单粒子软错误的传播扩散过程进行分析。
[0003] 目前，对分析单粒子软错误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。
【发明内容】
[0004] 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、操作简便、复杂度低、能够提高分析方法精度的基于元胞自动机的单粒子软错 误系统级传播分析方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0006] -种基于元胞自动机的单粒子软错误系统级传播分析方法，其步骤为：
[0007] (1)功能模块划分；分析系统的硬件结构、接口特性和功能实现逻辑，将系统进行 功能模块划分，每个功能模块均是能够完成独立任务的子电路系统；
[0008] (2)建立元胞空间，构建元胞自动机；将整个系统视作一个元胞空间，每个功能模 块视为其中一个元胞，依据元胞的连接关系选择合适的邻居关系；确定元胞间的耦合度和 传播规则；结合元胞空间、邻居关系、传播规则，确定元胞的状态演化过程。
[0009] (3)进行传播分析；假设某一功能模块发生单粒子软错误，即相对应的元胞加入 故障扰动，依据传播规则分析系统中单粒子软错误的传播过程及影响。
[0010] 作为本发明的进一步改进：所述步骤（2)中，利用仿真工具建立与模型需要模拟 的元胞空间，初始化元胞空间，按功能模块的分布对相应的元胞取1或者〇,〇表示该元胞为 空，1表示该元胞含有功能模块，确定元胞的邻居类型和元胞空间的边界条件，确定每个元 胞的耦合矩阵 Cij。
[0011] 作为本发明的进一步改进：所述步骤（2)建立的元胞空间中包含：
[0012] (a)由于功能模块间信号流的特点，所述元胞空间内的元胞间的耦合是有方向的， 所述方向为单向或双向；
[0013] (b)所述功能模块之间的影响是独立的，即一个功能模块与周围各个功能模块的 耦合度是不同的。
[0014] 作为本发明的进一步改进：所述步骤（3)进行传播分析时具体包括以下步骤：
[0015] (3. l)t = 0时刻，假设系统正常运行，设定此时各个元胞的故障程度值，即 s^-axs ；
[0016] (3. 2)t = 1时刻，元胞空间中的某一元胞发生单粒子软错误，产生故障扰动R ;
[0017] (3. 3)t = 2时刻，元胞自动机开始运行，依次判断每个元胞的故障程度值，如果大 于阈值I则认为此模块发生故障，统计总的故障元胞数M(t);
[0018] (3. 5)从t = 3时刻起，元胞自动机每执行一步，统计空间中发生故障的元胞个数 M (t)，若M (t+1) >M (t)，则重复执行步骤（3. 4)，若M (t+1) = M (t)，则单粒子故障不再传播， 停止元胞自动机运行。
[0019] 作为本发明的进一步改进：所述元胞自动机中元胞的邻居关系为形式一、形式二 或形式三；所述形式一为每个元胞只受其周围四个方向的四个邻居元胞的影响，所述形式 二为每个元胞受周围8个邻居元胞的影响，所述形式三为每个元胞会受到周围的24个邻居 元胞的影响。
[0020] 与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明针对单粒子效应敏感的电子系统，对 其进行功能模块划分，利用元胞自动机对系统中单粒子软错误的传播过程进行分析。本发 明将系统看作一个元胞空间，每个功能模块都看作元胞空间中的一个元胞，元胞之间的耦 合度为模块间的单粒子软错误传播率，并依据系统中模块的连接和信号流向，确定元胞自 动机中故障的传播规则，分析系统中某一模块发生单粒子软错误后，整个系统的状态演化， 以及各个模块在接下来时刻的故障程度值，直到发生故障的功能模块不再增加，系统达到 稳定状态。该分析方法能够降低系统的复杂度，直观分析系统中单粒子软错误的传播过程， 并且能够合理评估系统模块间的故障耦合度、故障扰动的等因素的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的流程示意图。
[0022] 图2a是本发明中元胞的邻居关系形式一的示意图。
[0023] 图2b是本发明中元胞的邻居关系形式二的示意图。
[0024] 图2c是本发明中元胞的邻居关系形式三的示意图。
[0025] 图3是本发明在具体实施例中的详细流程示意图。
【具体实施方式】
[0026] 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。
[0027] 如图1所示，一种基于元胞自动机的单粒子软错误系统级传播分析方法，其步骤 为：
[0028] (1)功能模块划分；分析系统的硬件结构、接口特性和功能实现逻辑，将系统进行 功能模块划分，每个功能模块是能够完成独立任务的子电路系统；
[0029] (2)建立元胞空间，构建元胞自动机；将整个系统视作一个元胞空间，每个功能模 块视为其中一个元胞，依据元胞的连接关系选择合适的邻居关系；确定元胞间的耦合度和 传播规则；结合元胞空间、邻居关系、传播规则等，确定元胞的状态演化过程。
[0030] (3)进行传播分析；假设某一功能模块发生单粒子软错误，即相对应的元胞加入 故障扰动，依据传播规则分析系统中单粒子软错误的传播过程及影响。
[0031] 在本发明中，是运用元胞自动机的方法对故障的传播过程进行抽象和量化分析。 元胞自动机是时间、空间和状态都离散的动力学模型，它通过简单的基元和简单的规则产 生复杂现象，可模拟单元之间有强烈耦合作用的复杂系统动态过程。复杂系统的故障传播 可视为由系统各组件之间耦合作用引起的动态过程。元胞自动机包括以下几个部分：
[0032] 元胞：是元胞自动机最基本的组成部分，均匀分布在离散的一维或多维的元胞空 间内，每个元胞包含一个或多个离散状态值，元胞每一时刻的状态值取决于且只取决于上 一时刻自身以及其邻居的状态值。取元胞的输出状态空间为：{-1，0, 1}。其中{-1}表示该 元胞处于失效或故障状态，{1}表示该元胞处于正常状态，{〇}表示空元胞。
[0033] 元胞空间：是指元胞分布所在的网格空间的集合，主要包括空间几何结构和边界 条件。其中，几何结构包括一维和多维的元胞自动机。对于一维元胞自动机空间几何结构 为一种直线形式；对于多维元胞自动机，元胞空间内网格排列形式多样。
[0034] 邻居：在元胞空间内的一个元胞周围并能够与之产生影响的所有元胞都称为该元 胞的邻居。一个元胞在下一时刻的状态决定于当前时刻本身状态和它的邻居元胞的状态。 二维元胞自动机中有几种典型的邻居形式，如图2a所示的Von. Neumann型邻居形式中，每 个元胞只受其周围四个方向的四个邻居元胞的影响；如图2b所示的Moore型邻居形式中， 每个元胞受周围8个邻居元胞的影响；如图2c所示的扩展的Moore型邻居是对Moore型邻 居的扩充，元胞会受到周围的24个邻居元胞的影响。
[0035] 规则：根据元胞当前状态及其邻居状况确定下一时刻元胞状态的函数，只针对元 胞个体操作，它可以记为：
【权利要求】
1. 一种基于元胞自动机的单粒子软错误系统级传播分析方法，其特征在于，步骤为： (1) 功能模块划分；分析系统的硬件结构、接口特性和功能实现逻辑，将系统进行功能 模块划分，每个功能模块均是能够完成独立任务的子电路系统； (2) 建立元胞空间，构建元胞自动机；将整个系统视作一个元胞空间，每个功能模块视 为其中一个元胞，依据元胞的连接关系选择合适的邻居关系；确定元胞间的耦合度和传播 规则；结合元胞空间、邻居关系、传播规则，确定元胞的状态演化过程； (3) 进行传播分析；假设某一功能模块发生单粒子软错误，即相对应的元胞加入故障 扰动，依据传播规则分析系统中单粒子软错误的传播过程及影响。
2. 根据权利要求1所述的基于元胞自动机的单粒子软错误系统级传播分析方法，其 特征在于，所述步骤（2)中，利用仿真工具建立与模型需要模拟的元胞空间，初始化元胞空 间，按功能模块的分布对相应的元胞取1或者〇,〇表示该元胞为空，1表示该元胞含有功能 模块，确定元胞的邻居类型和元胞空间的边界条件，确定每个元胞的耦合矩阵 Cij。
3. 根据权利要求2所述的基于元胞自动机的单粒子软错误系统级传播分析方法，其特 征在于，所述步骤（2)建立的元胞空间中包含： (a) 由于功能模块间信号流的特点，所述元胞空间内的元胞间的耦合是有方向的，所述 方向为单向或双向； (b) 所述功能模块之间的影响是独立的，即一个功能模块与周围各个功能模块的耦合 度是不同的。
4. 根据权利要求2或3所述的基于元胞自动机的单粒子软错误系统级传播分析方法， 其特征在于，所述步骤（3)进行传播分析时具体包括以下步骤： (3. 1) t = 0时刻，假设系统正常运行，设定此时各个元胞的故障程度值，即Su (t)〈 δ ; (3. 2)t = 1时刻，元胞空间中的某一元胞发生单粒子软错误，产生故障扰动R ; (3. 3) t = 2时刻，元胞自动机开始运行，依次判断每个元胞的故障程度值，如果大于阈 值I则认为此模块发生故障，统计总的故障元胞数M(t); (3. 5)从t = 3时刻起，元胞自动机每执行一步，统计空间中发生故障的元胞个数 M (t)，若M (t+1) >M (t)，则重复执行步骤（3. 4)，若M (t+1) = M (t)，则单粒子故障不再传播， 停止元胞自动机运行。
5. 根据权利要求1或2或3所述的基于元胞自动机的单粒子软错误系统级传播分析方 法，其特征在于，所述元胞自动机中元胞的邻居关系为形式一、形式二或形式三；所述形式 一为每个元胞只受其周围四个方向的四个邻居元胞的影响，所述形式二为每个元胞受周围 8个邻居元胞的影响，所述形式三为每个元胞会受到周围的24个邻居元胞的影响。
【文档编号】G06F11/22GK104102562SQ201410282835
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月23日 优先权日:2014年6月23日
【发明者】杨俊 , 王跃科, 刑克飞, 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