SRAM型FPGA不同异常的可靠性评估方法及系统

本发明涉及电路可靠性评估领域，具体的涉及一种sram型fpga不同异常的可靠性评估方法及系统。
背景技术：
：21世纪以来，在空间信号处理能力需求急剧增加和航天任务研制周期大幅缩短的背景下，空间电子仪器对高性能、短周期、低成本的处理器和大规模集成电路提出了很高的需求，其中最为关键的是解决宇航器中的半导体集成电路在充满高能粒子的空间辐射环境中可靠性工作的问题。相比于传统的宇航级器件，sram(staticrandomaccessmemory)型fpga(fieldprogrammablegatearray)具有信息密度大、性能高、开发成本较低以及可重复编程的特性，在空间领域具有的应用价值越来越大。当空间中的高能粒子辐射进入半导体器件时，会产生单粒子效应(singleeventeffect,see)，从而导致器件功能异常，威胁着在轨航天器的正常运行。在单粒子效应中，单粒子翻转(singleeventupset,seu)对fpga电路的危害最为严重。fpga电路经过布局布线映射到fpga底层配置单元后，使用的资源中包含了不同的配置位信息，不同配置区域发生单粒子翻转对于电路功能的作用效果也不同，因此决定了fpga电路发生单粒子故障的程度。为了减弱甚至消除单粒子翻转对于系统可靠性的危害，至关重要的一步就是对单粒子效应的影响进行全面且高效的评估。目前常规方法针对sram型fpga可靠性评估主要采用的指标是翻转截面，一般通过高能粒子辐照测试获取参数。翻转截面又可以分为静态翻转截面和动态翻转截面，静态翻转截面定义为单粒子事件数与垂直入射时单位面积上入射粒子的总数的比值，表征单个粒子入射到器件单位面积上发生单粒子翻转事件的概率，其完全取决于器件本身的工艺和设计，与加载电路无关。而动态翻转截面相比于静态翻转截面，多引入了一个敏感因子，敏感因子定义为配置存储器中敏感位数与总位数的比值，说明电路的动态翻转特性不仅与器件本身的工艺和设计相关，还与上面加载的电路有关。fpga的配置存储器中每一个存储单元都控制着特定可编程资源的状态，因此对于任意一个基于fpga的设计而言，并不是所有的seu都会导致系统功能的失效，部分seu对系统功能可能没有影响。产生这种现象的原因有以下两点：第一是设计的资源占用有限，那些没有被占用的可编程逻辑资源对应的控制位一般对系统功能没有影响，第二个是由于电路可能采取了三模冗余加固设计，一些位置上虽然发生了seu，但是通过多数表决器后，在系统的输出端不会显现出来。这种特殊现象的存在使得基于翻转截面的评估指标无法全面准确地评估sram型fpga加固设计的可靠性。技术实现要素：本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种sram型fpga不同异常的可靠性评估方法及系统，能够全面准确地评估sram型fpga加固设计的可靠性。根据本发明第一方面实施例的sram型fpga不同异常的可靠性评估方法，包括以下步骤；s100、选定配置存储器位置，进行故障注错测试，统计出错地址和异常比特个数；s200、根据不同异常对系统功能造成的影响进行分类，具体为：第一类异常：系统功能中断可以通过回读刷新进行恢复；第二类异常：系统功能中断不能通过回读刷新进行恢复，但可以通过软件复位进行恢复；第三类异常：系统功能中断只能通过加电和复位的方式进行恢复。s300、对不同情况进行分类评估，具体为：计算fpga第i类异常情况中内部配置结构j的配置数据异常率pij；查找该型号fpga内部配置结构j在特定场景下的翻转率ej；根据配置数据异常率pij和翻转率ej计算第i类异常情况的失效率λi；根据失效率λi计算第i类异常情况的可靠度。根据本发明实施例的sram型fpga不同异常的可靠性评估方法，至少具有如下技术效果：本发明实施方式首先通过故障注错测试，统计出错地址和异常比特个数，然后根据不同异常对系统功能造成的影响进行分类，最后在分类的配置数据异常率和翻转率的基础上，计算fpga电路的失效率与可靠度，通过分类的测试结果来相对评估抗单粒子设计方法对系统性能的改善程度，解决了单粒子翻转对系统功能造成不同影响时的量化评估问题，为准确、全面地对抗辐照加固设计的可靠性评估提供了新的解决办法，具有较好的可行性和推广价值。通过评估各种单粒子防护设计方法及措施，为sram型fpga的器件选型提供依据。根据本发明的一些实施例，所述步骤s301中配置数据异常率pij的计算公式为其中bij是通过故障注错测试统计得到的fpga第i类异常情况中内部配置结构j的异常比特个数，btotal是该型号fpga总的配置比特个数。根据本发明的一些实施例，所述步骤s302中失效率λi的计算公式为根据本发明的一些实施例，所述可靠度ri的计算公式为其中λi(t)为失效率函数，根据本发明第二方面实施例的sram型fpga不同异常的可靠性评估系统，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上述的sram型fpga不同异常的可靠性评估方法。根据本发明实施例的sram型fpga不同异常的可靠性评估系统，至少具有如下技术效果：本发明实施方式首先通过故障注错测试，统计出错地址和异常比特个数，然后根据不同异常对系统功能造成的影响进行分类，最后在分类的配置数据异常率和翻转率的基础上，计算fpga电路的失效率与可靠度，通过分类的测试结果来相对评估抗单粒子设计方法对系统性能的改善程度，解决了单粒子翻转对系统功能造成不同影响时的量化评估问题，为准确、全面地对抗辐照加固设计的可靠性评估提供了新的解决办法，具有较好的可行性和推广价值。通过评估各种单粒子防护设计方法及措施，为sram型fpga的器件选型提供依据。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为本发明实施例中sram型fpga不同异常的可靠性评估方法的流程示意图；图2为本发明实施例中第一类异常情况可靠度变化曲线；图3为本发明实施例中三模冗余注错测试平台的原理框图；图4为本发明实施例中注错测试的流程图。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属
技术领域：
技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。参考图1，一种sram型fpga不同异常的可靠性评估方法，包括以下步骤s100、选定配置存储器位置，进行故障注错测试，统计出错地址和异常比特个数；s200、根据不同异常对系统功能造成的影响进行分类，具体分为以下三类异常；第一类异常：系统功能中断可以通过回读刷新进行恢复；第二类异常：系统功能中断不能通过回读刷新进行恢复，但可以通过软件复位进行恢复；第三类异常：系统功能中断只能通过加电和复位的方式进行恢复；s300、对不同情况进行分类评估，具体如下：s301、计算fpga第i类异常情况中内部配置结构j的配置数据异常率pij，配置数据异常率pij的计算公式为：其中，bij是通过故障注错测试统计得到的fpga第i类异常情况中内部配置结构j的异常比特个数，btotal是该型号fpga总的配置比特个数，数据参照对应型号的芯片数据手册。s302、在芯片数据手册上查找该型号fpga内部配置结构j在特定场景下的翻转率ej，其单位为h/(device·upset)；s303、计算第i类异常情况的失效率λi，其单位为1/year(单位统一换算为年)，失效率λi的计算公式为：s304、计算第i类异常情况的可靠度ri，计算方式如下定义失效率函数λi(t)为：可得其中，qi(t)表示第i类异常情况的故障概率，ri表示第i类异常情况的可靠度，t表示时间。下面以xilinxxqr2v3000型号的fpga来进行具体说明：通过内部配置访问端口(icap)故障注入测试得到其配置逻辑块(clb)中有104个异常比特，表1为芯片手册提供的virtex-ⅱ器件帧数、帧长度、配置比特总数。表1通过表1计算可知该型号fpga总配置比特个数为9582848，属于第一类异常情况，故配置数据异常率p11计算如下：如表2为芯片手册提供的xqr2v6000型号fpga在地球同步轨道工作场景下的翻转率。表2xqr2v6000—36000kmmeantimetoerrorunitsconfigurationmemory1.8hoursblockmemory11.8hourspor-sefi221yearssmap-sefi181years由于xqr2v6000型号fpga与xqr2v3000型号fpga的架构类似，由表2可知xqr2v6000型号fpga的clb在地球同步轨道(geo)的翻转率为1.8h/(device·upset)，则xqr2v3000型号fpga的clb失效率λ1计算如下：因此可得第一类异常情况的可靠度r1为：r1＝e-0.023t如图2所示，根据实验结果，得到xqr2v3000型号fpga的clb在地球同步轨道工作的场景下，其失效率大约为0.023(1/year)，说明该方法可用于基于软件的抗辐照加固设计方法可靠性的相对评估。三模冗余注错测试平台的原理框图和测试流程图分别如图3和图4所示，其中fpga1作为逐位翻转的注错对象，主要负责运行三模冗余加固原型fpga程序，fpga2运行单模fpga程序，fpga3则负责比对fpga1和fpga2的功能差异。一旦因为故障注错导致功能出现异常，等待一定时间后，若功能对比结果仍不一致，则给dsp输出功能异常中断，此时认为故障注入错误不可恢复，故障注错生效；若功能对比结果一致，则认为故障注入的错误可逆，此时故障注错不生效。fpga4为加载fpga芯片，其主要负责控制slaveselectmap接口对fpga1-3进行全局加载，另外还要实现对采用三模冗余设计的fpga1的局部动态刷新及注错。dsp控制和配置fpga1、fpga2的功能启动和停止，通过串口输出比对结果和调试信息，并通过fpga4来控制fpga1动态刷新的开始，遍历除bram资源外的故障注入自动测试。一旦dsp检测到功能异常中断即停止功能比对，锁定当前自动注错帧位置并赋给自动注错起始帧地址，下次故障注入前对fpga1进行全局刷新，将所有除bram外资源刷入正确的配置帧数据。然后从上次报错位置重新开始注错，如此循环往复，直到除bram外的资源全部遍历完为止。本发明实施例还涉及一种sram型fpga不同异常的可靠性评估系统，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上述的sram型fpga不同异常的可靠性评估方法。综上所述，本发明实施例的优点在于：(1)解决了单粒子翻转对系统功能造成不同影响时的量化评估问题，为准确、全面地对基于软件的抗辐照加固设计方法的可靠性评估提供了新的解决思路；(2)根据不同异常对系统功能造成的影响，提出了一个新的分类标准；(3)从失效率函数的定义着手，推导出了可靠度与失效率的关系；(4)通过程序加载以及故障注入，直接对fpga配置数据进行修改，可以实现故障注入并在芯片上运行测试，模拟空间中单粒子效应；(5)可以得到配置结构中异常比特的个数和具体位置；(6)通过评估各种单粒子防护设计方法及措施，为sram型fpga的器件选型提供参考和借鉴。上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述
技术领域：
普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。当前第1页12