SRAM型FPGA单粒子效应故障注入测试方法关键技术研究

论文摘要

SRAM型FPGA凭借其高性能、可重复配置等优势越来越多地应用于空间仪器的设计和应用中。然而由于其对单粒子效应天然的敏感性,应用前对其进行防护加固设计是十分必要的。对于不同的防护加固设计,需要对其性能进行科学准确的测试,为设计人员提供参考。目前主流的,也是业界比较认可的测试方法是通过高能粒子辐照进行测试。但是目前国内加速器条件相对比较欠缺,且加速器建设周期长,成本高。加之其高能粒子辐照实验存在一些不可回避的不足,研究其替代测试方法势在必行。单粒子效应故障注入作为一种新兴的测试手段,以其快速、灵活、廉价等优点,在可以预见的将来,必将成为单粒子效应测试的重要手段。由此引出了本文研究的基本问题——如何通过故障注入对SRAM型FPGA的防护加固设计进行性能测试。为此,论文重点研究了SRAM型FPGA单粒子效应故障注入测试方法中面临的三个关键技术问题:（1）故障注入模型问题。SRAM型FPGA单粒子故障注入模型是故障注入的输入条件,模型的准确性决定了测试结果有效性,同时模型还要兼顾现有技术条件下的故障注入的可实施性。建立故障注入器可以直接读取的准确的故障注入模型,是故障注入测试中的第一个关键技术问题。（2）基于故障注入测试的单粒子效应防护性能测试与评价方法问题。故障注入测试方法与传统的高能粒子辐照测试在机理上有着本质的不同,在故障注入条件下获得的测试结果与高能粒子辐照测试结果有怎样的对应关系,如何通过故障注入的测试结果评价防护加固设计的性能,是故障注入测试中的第二个关键技术问题。（3）故障注入测试过程中的时间爆炸问题。在时空遍历的条件下,故障注入测试需要大量的时间开销,如何在不降低测试准确性的前提下提高测试效率,是本文的第三个关键技术问题。为解决上述关键技术问题,本文提出了一种故障注入模型描述方法,提出了通过故障注入对SRAM型FPGA防护加固设计进行测试的方法,提出了一种提高故障注入测试效率的思路,设计并实现了SRAM型FPGA单粒子故障注入测试系统,应用该系统对某测试用例进行了测试,并利用HI-13串列加速器实验数据对该结果进行了验证,结果验证了故障注入测试方法的可行性。本文的研究为SRAM型FPGA故障注入的进一步推广应用提供了理论与实践支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 空间辐射与SRAM型FPGA单粒子效应
• 1.1.2 SRAM型FPGA单粒子效应测试方法
• 1.1.3 论文的研究意义
• 1.2 论文研究的关键技术问题
• 1.2.1 故障注入模型问题
• 1.2.2 基于故障注入测试的单粒子效应防护性能测试评价方法问题
• 1.2.3 故障注入测试过程中的时间爆炸问题
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 SRAM型FPGA故障特性与模型的研究现状
• 1.3.2 SRAM型FPGA故障注入测试评价方法的研究现状
• 1.3.3 提高测试效率方法的研究现状
• 1.4 论文主要研究工作及章节安排
• 第二章 SRAM型FPGA单粒子效应故障注入模型
• 2.1 SRAM型FPGA结构
• 2.2 SRAM型FPGA单粒子故障特性
• 2.2.1 单粒子故障的时间特性
• 2.2.2 单粒子故障的空间特性
• 2.2.3 其他故障特性
• 2.3 SRAM型FPGA故障注入模型
• 2.3.1 SEU离散随机事件模型
• 2.3.2 SRAM型FPGA的故障注入模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 SRAM型FPGA故障注入测试评价方法
• 3.1 防护加固设计评价指标
• 3.1.1 翻转截面
• 3.1.2 平均无软失效时间与防护强度
• 3.2 故障注入测试原理
• 3.3 故障注入测试评价方法
• 3.3.1 测试方法
• 3.3.2 评价方法
• 3.4 本章小结
• 第四章 故障注入测试时间缩减方法
• 4.1 测试时间爆炸与测试时间构成
• 4.2 故障集压缩方法
• 4.2.1 故障注入集压缩思路
• 4.2.2 一种可行的方法
• 4.3 缩减单次测试时间
• 4.3.1 缩减故障注入时间
• 4.3.2 缩减监控时间
• 4.4 本章小结
• 第五章 SRAM型FPGA单粒子效应故障注入测试
• 5.1 测试系统设计
• 5.1.1 测试软件设计
• 5.1.2 故障注入器设计
• 5.2 故障注入测试过程
• 5.2.1 平均无软失效时间测试步骤
• 5.2.2 加固效能测试步骤
• 5.2.3 其他测试
• 5.3 测试数据与结果分析
• 5.3.1 平均无软失效时间测试结果及分析
• 5.3.2 加固效能测试结果及分析
• 5.3.3 其他结果及分析
• 5.4 测试结果的相对误差分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果