CN103076557B - 一种Spacewire电路单粒子功能中断测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种Spacewire电路单粒子功能中断测试方法，步骤为：首先利用SPARCV8处理器和Spacewire电路分别建立两套测试系统，两套测试系统通过各自的Spacewire电路建立数据传输通道。然后将Spacewire电路B置于粒子辐照环境中。设定数据传输路径为测试系统A向测试系统B发送数据，测试系统B接收到数据后将接收到的数据再次转发给测试系统A；数据传输开始后，如果测试系统A无法向测试系统B发送数据或者测试系统A无法从测试系统B获取转发数据，则判断Spacewire电路B发生单粒子功能中断，根据回读的Spacewire电路B的控制寄存器的数据分析造成功能中断的原因。本发明方法可为开展单粒子效应与微电子器件相关研究提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电子器件抗单粒子能力的试验验证方法。
背景技术
随着半导体技术的迅猛发展，航天器用微电子器件的集成度不断提高，航天器逐渐更多地采用大规模集成电路。由于器件的特征尺寸和工作电压越来越小，相应地，临界电荷也越来越小，单粒子效应的作用也越来越明显。近些年来发现单粒子效应对器件的工作性能影响更加显著，其损伤模式也日趋复杂化，由单粒子影响而造成功能中断的形式也越来越多，如果不清楚微电子器件发生功能中断的原因，就无法正确评估微电子器件的抗辐射能力，在后期研制微电子器件时，就无法提升微电子器件的抗辐射性能。
多数抗辐射微电子器件的单粒子效应的试验验证工作是在地面进行，尤其是航天器设计所需的微电子器件抗单粒子性能评估的依据是地面模拟试验结果。地面模拟试验不可能完全逼真，模拟条件应尽可能地反映客观现象的本质。因此在评估微电子器件抗辐射性能时，就更需要采取严谨科学的方法，找出单粒子效应发生的原因，避免由于其他因素造成的影响而误导结果分析。在此基础上才能更好地建立起地面模拟所获取的数据与空间真实错误率之间的关系。在每一个环节上理论工作和试验验证工作都是必不可少的。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，基于现有的地面模拟环境，提供了一种针对于Spacewire电路的单粒子功能中断测试方法，可以明确地测试出影响Spacewire电路的单粒子功能中断的模块及失效的原因，为进一步开展单粒子效应与微电子器件相关试验研究提供可靠的依据。
本发明的技术解决方案是：一种Spacewire电路单粒子功能中断测试方法， 步骤如下：
(1)将SPARC V8的软核烧写入FPGA内部，形成硬件SPARC V8微处理器；
(2)利用SPARC V8处理器A和Spacewire电路A建立通讯联系构成测试系统A，利用SPARC V8处理器B和Spacewire电路B建立通讯联系构成测试系统B，Spacewire电路A和Spacewire电路B建立通讯联系构成测试系统A和测试系统B的数据传输通道；
(3)在两个测试系统内部，分别利用各自的SPARC V8处理器初始化各自Spacewire电路的寄存器以及通讯通道；
(4)将Spacewire电路B置于粒子辐照环境中；
(5)设定数据传输路径为测试系统A向测试系统B发送数据，测试系统B接收到数据后将接收到的数据再次转发给测试系统A；数据传输开始后，如果测试系统A无法向测试系统B发送数据或者测试系统A无法从测试系统B获取转发数据，则判断Spacewire电路B发生单粒子功能中断，进入下一步；
(6)测试系统A回读Spacewire电路B的寄存器的信息，如果测试系统A能够成功回读Spacewire电路B的寄存器的信息，则判定Spacewire电路B的寄存器发生了功能中断，根据回读的Spacewire电路B的控制寄存器的数据分析造成功能中断的原因；如果测试系统A无法回读Spacewire电路B的控制寄存器的信息，则判定Spacewire电路B的仲裁器发生了功能中断。
所述步骤(6)中根据回读的Spacewire电路B的控制寄存器的数据分析造成功能中断的原因的方法为：如果在辐照过程中发生数据传输功能中断、大量的数据包丢失或者大量的数据包传输错误，则判断Spacewire电路B的编号为1～8以及11～255的控制寄存器发生了单粒子翻转；如果在数据包传输的过程中发现数据包无法被接收或者无法向Spacewire电路B发送命令，则判断Spacewire电路B的编号为9或者10的控制寄存器发生了单粒子翻转；如果在辐照过程中发生数据传输功能中断且Spacewire电路B的编号为0～255的控 制寄存器未发现异常，则判断Spacewire电路B的编号为256～265的控制寄存器发生了单粒子翻转。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法利用FPGA对待测Spacewire电路进行配置，并通过待测Spacewire电路发送和接收数据，可根据试验结果精确定位影响单粒子功能中断的位置，分析发生功能中断的模块及原因，为后续提升器件的抗辐射性能提供依据；
(2)本发明方法利用两块微处理器访问和控制被测的Spacewire电路，并将其配置为典型应用工作状态下，可以更加全面的考核评估其抗辐射性能；
(3)本发明方法利用远程自动化控制系统可实现电源控制和电流监测，方便试验过程中被测电路发生功能中断时即重新上电复位的需求，减少了试验的操作环节，提高了试验的可操作性及效率。
附图说明
图1为本发明测试方法的流程框图；
图2为两块Spacewire之间的数据交互示意图；
图3为回读被测器件Spacewire B的寄存器示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明方法的流程图。
Spacewire在宇航电路中是用于传输数据的，而单粒子功能中断的定义即是电路在辐照环境下，电路的功能发生了异常而导致中断。针对Spacewire电路的单粒子功能中断测试，本发明方法首先建立两片Spacewire电路的通信链路，两块FPGA通过两片Spacewire电路通讯，实现数据的互传。单粒子功能中断检测时两块Spacewire之间的数据交互示意图如图2所示，其中SpacewireB为被辐照器件。在辐照试验过程中，由FPGA芯片A经过Spacewire A向FPGA芯片B(控制被辐照的Spacewire电路B)发送数据包，由FPGA芯片B接收数据后，经过Spacewire电路A将接收到的数据包发送回FPGA芯片A 并由FPGA芯片A检测数据。
本发明中，FPGA芯片用来存储SPARC V8的软核，将SPARC V8的软核烧写入FPGA内部之后，FPGA此时便成为一个硬件SPARC V8微处理器，利用SPARC V8处理器和Spacewire电路通讯和传输数据，由于FPGA内部资源丰富，方便扩展用来做嵌入式系统应用开发十分方便。
SPARC V8软核是由ALTEM公司开发的开放性软核，在ALTEM官网上即可下载该软核，该软核采用VHDL编写并且支持LEON2调试架构，有相应的软件开发环境，用户下载该软核，可以对软核进行改进，扩展自己所需要的硬件模块，使用非常方便，将改进后的SPARC V8软核下载到Xlinx FPGA中即可将FPGA当作一个硬件处理器使用。
实际使用时，还可以增加FLASH用来存储和固化FPGA的配置信息，SRAM在系统运行时用作处理器的内存使用。
本发明中，利用SPARC V8处理器A和Spacewire电路A建立通讯联系构成测试系统A，利用SPARC V8处理器B和Spacewire电路B建立通讯联系构成测试系统B，Spacewire电路A和Spacewire电路B建立通讯联系构成测试系统A和测试系统B的数据传输通道。
两块Spacewire电路传送的数据包主要包括以下内容：发送的数据需要经过的通道、发送的数据(0～255)、数据结束标志。在数据发送的过程中首先向控制寄存器发送控制字，将传输数据所需要的通道链接起来，然后开始发送数据，直至数据结束符。试验过程中，将测试系统A的5和6通道与测试系统的1和2通道分别通过高速数据传输线连接，通过软件配置控制寄存器将测试系统B(被辐照)的1和8，8和7，7和6，6和5，5和9，10和2串接起来，整个数据的流向如图2所示，这样可以使得数据在传输的过程中经过所有的通道，充分利用了仲裁器，使得被测器件的工作状态接近于实际应用状态，以便更加完整地测试考核Spacewire电路的抗辐照性能。
在对Spacewire电路进行单粒子功能中断考核时，可将Spacewire电路的 功能状态分为功能正常、功能错误、功能中断。其中功能正常的表现为被测器件Spacewire电路B能够完整接收数据包，同时也能够完整发送数据包；功能错误表现为数据包中出现单个数据错误(即发生单粒子翻转)、数据包中的部分数据丢失、数据包丢失；功能中断表现为被测器件Spacewire电路B的发送数据或接收数据功能出现异常。
Spacewire电路的单粒子功能中断主要分为两类：仲裁器功能中断和由控制寄存器引起的功能中断。在试验过程中可分析数据包传输过程中由于单粒子轰击造成的单个错误数据、部分数据丢失、以及数据包丢失来判断。如果系统A不能向系统B发送数据或者接收系统B发回的数据，则系统发生功能中断。系统发生功能中断后，系统A则回读被辐照器件Spacewire电路B的控制寄存器的信息，如果系统A能够回读Spacewire电路B的控制寄存器的信息，则判定功能中断是由Spacewire电路B的控制寄存器发生单粒子翻转造成的，可以根据回读的控制寄存器的数据分析造成功能中断的原因；如果系统A无法回读寄存器的数值，则判定Spacewire电路B的仲裁器发生了功能中断。图3为系统A回读被测器件Spacewire电路B的控制寄存器数据的示意图。从图中可以看出，控制寄存器的数据由被测器件Spacewire电路B的3通道送出到测试系统A的Spacewire电路A的7通道，最后经由9通道送至FPGA芯片A进行处理，其中Spacewire电路B的3通道与Spacewire电路A的7通道通过高速数据传输线进行连接，Spacewire电路A的7和9通道通过软件配置控制寄存器实现连接。
图1是本发明的单粒子功能中断判定流程图，主要思想是利用通讯异常判定功能中断，该系统的整个判定流程如下：
(1)FPGA配置：将SPARC V8的软核烧写入FPGA内部，形成硬件SPARC V8微处理器，方便控制Spacewire电路；
(2)通讯通道建立：利用SPARC V8处理器A和Spacewire电路A建立通讯联系构成测试系统A，利用SPARC V8处理器B和Spacewire电路 B建立通讯联系构成测试系统B，Spacewire电路A和Spacewire电路B通过高速数据传输线建立通讯联系构成测试系统A和测试系统B的数据传输通道；
(3)初始化配置：在两个测试系统内部，分别利用各自的SPARC V8处理器初始化各自Spacewire电路的寄存器以及通讯通道；
(4)开始辐照：将测试系统B置于真空罐中，并将粒子束直接轰击到被测器件Spacewire电路B上；
(5)测试系统开始工作：设定数据传输路径为测试系统A向测试系统B发送数据，测试系统B接收到数据后将接收到的数据再次转发给测试系统A；数据传输开始后，如果测试系统A无法向测试系统B发送数据或者测试系统A无法从测试系统B获取转发数据，则判断Spacewire电路B发生单粒子功能中断，进入下一步；
(6)测试系统A回读Spacewire电路B的寄存器的信息，如果测试系统A能够成功回读Spacewire电路B的寄存器的信息，则判定Spacewire电路B的寄存器发生了功能中断，根据回读的Spacewire电路B的控制寄存器和状态寄存器的数据分析造成功能中断的原因；如果测试系统A无法回读Spacewire电路B的控制寄存器和状态寄存器的信息，则判定Spacewire电路B的仲裁器发生了功能中断。
由控制寄存器引起的Spacewire电路的功能中断的分析方法如下：Spacewire电路共有0～265个可见寄存器，其中0是端口寄存器，1～265是控制寄存器，每一个控制寄存器又都对应一个状态寄存器。如果在辐照过程中发生数据传输功能中断、大量的数据包丢失及大量的数据包传输错误，则是路由通道控制寄存器(1～8、11～255)中发生了硬错误(即无法通过软件重新配置)造成通道断链、通道错误链接(数据包被发送到错误的通道)；如果在数据包传输的过程中发现数据包无法被接收或者处理器无法向被测器件发送命令，则是由于9或者10路由通道控制寄存器发生翻转(硬错误)造成的； 256～265的控制寄存器若发生了硬错误，也会造成数据传输功能中断，如果电路发生了功能中断，且寄存器(0～255)的数值未发生翻转，则功能中断是由控制寄存器(256～265)发生翻转造成的。在器件发生功能中断之后，通过对寄存器数值与初始状态的对比可以确定引发被测器件产生功能中断的原因。
(7)重新配置系统：如果功能中断是由9或者10寄存器引起的，则可通过软件配置使系统恢复工作(即跳回步骤(3))；如果功能中断是由其它寄存器或者仲裁器引起的，则需要重新上电并跳回步骤(3)。
(8)重复(3)至(7)的步骤，直到试验结束；
通过本发明方法可以准确地定位Spacewire电路中发生单粒子功能中断的模块。该系统需要完成大量的数据传输和处理分析，这就需要很大的缓存空间和占用可编程逻辑器件的很多资源，因此，系统的性能需要相应高性能的硬件支持。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种Spacewire电路单粒子功能中断测试方法，其特征在于步骤如下：
(1)将SPARC V8的软核烧写入FPGA内部，形成硬件SPARC V8微处理器；
(2)利用SPARC V8处理器A和Spacewire电路A建立通讯联系构成测试系统A，利用SPARC V8处理器B和Spacewire电路B建立通讯联系构成测试系统B，Spacewire电路A和Spacewire电路B建立通讯联系构成测试系统A和测试系统B的数据传输通道；
(3)在两个测试系统内部，分别利用各自的SPARC V8处理器初始化各自Spacewire电路的寄存器以及通讯通道；
(4)将Spacewire电路B置于粒子辐照环境中；
(5)设定数据传输路径为测试系统A向测试系统B发送数据，测试系统B接收到数据后将接收到的数据再次转发给测试系统A；数据传输开始后，如果测试系统A无法向测试系统B发送数据或者测试系统A无法从测试系统B获取转发数据，则判断Spacewire电路B发生单粒子功能中断，进入下一步；
(6)测试系统A回读Spacewire电路B的寄存器的信息，如果测试系统A能够成功回读Spacewire电路B的寄存器的信息，则判定Spacewire电路B的寄存器发生了功能中断，根据回读的Spacewire电路B的控制寄存器的数据分析造成功能中断的原因；如果测试系统A无法回读Spacewire电路B的控制寄存器的信息，则判定Spacewire电路B的仲裁器发生了功能中断；
所述根据回读的Spacewire电路B的控制寄存器的数据分析造成功能中断的原因的方法为：如果在辐照过程中发生数据传输功能中断、大量的数据包丢失或者大量的数据包传输错误，则判断Spacewire电路B的编号为1～8以及11～255的控制寄存器发生了单粒子翻转；如果在数据包传输的过程中发现数据包无法被接收或者无法向Spacewire电路B发送命令，则判断Spacewire电路B的编号为9或者10的控制寄存器发生了单粒子翻转；如果在辐照过程中发生数据传输功能中断且Spacewire电路B的编号为0～255的控制寄存器未发现异常，则判断Spacewire电路B的编号为256～265的控制寄存器发生了单粒子翻转。
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