CN103913662A - 一种基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法，其步骤为：（1）将被测系统进行功能模块划分；（2）在两个同时运行的相同的被测系统中，对其中一个被测系统的一个功能模块注入单粒子故障，同时输出比较器采集两个被测系统的输出，进行比对；如果出现差异，则证明单粒子故障引起了被测系统的功能失效；如果没有出现差异，则证明故障对被测系统未产生影响或者故障被容忍了；（3）在遍历每个功能模块的测试之后，根据每个模块完成的故障注入次数和出现的功能失效次数计算出系统的功能失效率。本发明具有操作方便、简单易行、准确性高等优点。

Description

一种基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法

技术领域

本发明主要涉及到电子系统可靠性测试技术领域，特指一种基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的系统及其方法。

背景技术

电子系统运行于空间辐射环境，极易产生空间辐射效应，影响材料性能和数据处理。单粒子效应能够使集成电路发生逻辑状态翻转、逻辑功能的瞬时异常或中断，而且随着CMOS工艺的下降，PN结的阈值电压降低，电子器件如FPGA、处理器、存储器等面临单粒子效应威胁日趋严峻。评价电子系统的抗单粒子效应的可靠性也越来越得到研究和重视。

评价电子系统的抗单粒子可靠性指标一般指系统在空间运行的功能失效率，对于可靠性的地面测试一般采用重离子束流实验，测试电路的单粒子翻转截面，然后结合空间的高能粒子通量等参数计算出功能失效率。另一种新的技术是故障注入技术，针对器件或系统进行故障注入以测试其抗单粒子效应性能指标，如故障修复率和无故障时间等。故障注入技术通过硬件描述语言完成对故障注入方法的描述，然后通过通用接口将故障注入到电路中去，以实现与单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子瞬态等效的可恢复性的单粒子效应。相比于重离子束流实验，故障注入方法具有周期短、成本低、对器件无损伤等优势。

利用故障注入的方法来检测电子系统的抗单粒子效应性能是一种快速有效的方法，但由于故障注入一般情况下针对的只是系统中的某一位置，而未能遍历整个系统；且系统中各个部分或模块的本征的单粒子翻转截面存在不同，不同部分或模块所发生的单粒子软错误形式亦有差异，某一个功能模块或者部分的单粒子功能失效率并不能代表整个系统的单粒子功能失效率；准确测试评估电子系统的抗单粒子效应性能，评估其系统的功能失效率，仍然存在一定问题。

发明内容

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，本发明提供一种操作方便、简单易行、准确性高的基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法，其步骤为：

（1）将被测系统进行功能模块划分；

（2）在两个同时运行的相同的被测系统中，对其中一个被测系统的一个功能模块注入单粒子故障，同时输出比较器采集两个被测系统的输出，进行比对；如果出现差异，则证明单粒子故障引起了被测系统的功能失效；如果没有出现差异，则证明故障对被测系统未产生影响或者故障被容忍了；

（3）在遍历每个功能模块的测试之后，根据每个模块完成的故障注入次数和出现的功能失效次数计算出系统的功能失效率。

作为本发明的进一步改进：使用上位机来负责生成系统运行的配置程序和故障注入码流；使用下位机来下载要加载到两个被测系统的程序；使用故障注入器来生成可以注入到被测系统的故障码流，使用时钟同步单元来产生复位刷新信号控制两个系统的同时运行以及在失效时控制故障注入器对被测系统的故障注入；使用输出比较器来收集两个被测系统的输出数据进行比较，出现差异时反馈信号给时钟同步单元；使用功能失效分析单元来将每个功能模块的故障注入的次数和响应的功能失效次数进行收集，依此计算出整个系统的功能失效率。

作为本发明的进一步改进：进行单粒子功能失效率测试的具体步骤为：

步骤1：整个系统上电；

步骤2：下位机从上位机把要配置到两个被测系统中的程序下载；

步骤3：下位机将程序配置给两个被测系统；

步骤4：时钟同步单元对两个系统发送复位指令控制两个被测系统同时运行；

步骤5：上位机将生成的故障注入位流下发到故障注入器中；

步骤6：故障注入器将码流进行解析并注入到其中一个被测系统的某一模块中，每成功完成一次注入，且注入故障数由n变为n+1；

步骤7：输出比较器收集两个被测系统的输出数据并进行比较，如两个被测系统的输出存在差异，功能失效由k变为k+1，同时时钟同步单元发送复位两个被测系统重新开始运行程序；如果不存在差异，则继续进行故障注入，记录注入故障的次数，直到发生故障注入为止；在完成一个模块的故障注入测试后，切换到下一个模块的故障注入，并重复上述步骤1～7；

步骤8：每个模块最后的故障注入数N和出现的功能失效次数k_i发送给功能失效率分析单元；

步骤9：功能失效率分析单元根据每个模块的故障注入数及引起功能失效次数计算出整个系统的单粒子功能失效率。

作为本发明的进一步改进：所述上位机和功能失效率分析单元由一台计算机来实现，所述时钟同步单元和输出比较器以及下位机由一块FPGA实现，所述故障注入器由一块以FPGA为主芯片的电路板实现，利用FPGA修改器件中的配置码流中的数据位而实施故障注入。

作为本发明的进一步改进：所述单粒子故障注入的具体步骤如下：

步骤1：上位机的故障注入测试软件读取配置文件；

步骤2：将配置文件解析成功能模块的配置码流；

步骤3：从上位机故障注入软件界面接收用户设置参数；

步骤4：从用户设置参数解析出要修改的配置码流；

步骤5：解析完码流信息后，测试软件生成故障注入器能够识别的码流数据；

步骤6：上位机将码流数据发送到故障注入器；

步骤7：故障注入器接收上位机发送过来的码流数据；

步骤8：故障注入器解析从上位机发送过来的码流数据；

步骤9：将故障信息通过注入器通信接口发送到被测系统；

步骤10：回读故障注入确认数据与故障位流数据进行对比，确认故障注入顺利完成。

作为本发明的进一步改进：在出现功能失效时，系统刷新的具体步骤如下：

步骤1：输出比较器收集第一个被测系统和第二个被测系统的输出数据；

步骤2：输出比较器对第一个被测系统和第二个被测系统的输出数据进行比对，出现差异时发送一个信号给时钟同步单元，时钟同步单元收到此信号后对两个系统进行刷新，重新运行配置程序，并中断故障注入器的故障注入；如果相同的话，则证明未发生功能失效，继续进行故障注入直到发生功能中断为止。

作为本发明的进一步改进：根据采集到的模块的故障注入数N和功能失效数k_i，系统的单粒子功能失效率计算流程如下：

（1）如果被测系统可划分为m个模块，收集到每个模块的故障注入次数为N，模块1至模块m的单粒子效应导致的系统功能失效次数分别为k₁、k₂…k_m；

（2）计算出每个功能模块单粒子软错误导致的系统功能失效率，第i个模块导致的系统功能失效率R_i为：R_i=k_i/N；

（3）假设在实际运行中各个模块发生的单粒子故障在整个系统故障中所占的比例为σ₁,σ₂......σ_m；那么系统整体的功能失效率为：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明的方法具有操作方便、速度快、成本低、对器件无损伤等优点。

（2）本发明在测试前对系统先进行功能模块划分，再故障注入遍历系统的每个功能模块，测试更加全面，功能失效率更为准确。

（3）本发明能够针对从FPGA到整个电子系统，对其进行模块划分后，利用故障注入对比的方法，通过大量的实验统计，遍历系统所有模块后，准确测试系统的功能失效率。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明在具体应用实例中的流程示意图。

图3是本发明在具体应用实例中单粒子故障注入的流程示意图。

图4是本发明在具体应用实例中发现功能失效后系统刷新的流程示意图。

具体实施方式

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。

如图1所示，本发明的一种基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法，为：

（1）将被测系统进行功能模块划分，用以分析其每个功能模块单粒子故障所导致的系统功能失效率，进而以此推算出整个系统的单粒子功能失效率。功能模块是实现系统某一功能的部分，可以有不同的划分方法，依实际需要而定，这是因为本发明的方法是依据系统各个功能模块引起的系统功能失效率来综合评价系统整体的功能失效率。

（2）在两个同时运行的相同的电子被测系统中，对其中一个被测系统的一个功能模块注入单粒子故障，同时输出比较器采集两个被测系统的输出，进行比对；当两个系统的输出出现差异时，说明注入的故障使系统的输出出现了错误，即认为单粒子软错误导致了系统功能失效。如果系统出现功能失效，时钟同步单元对程序配置器发送重新配置的命令。即：可以利用上位机产生的单粒子故障位流通过故障注入器注入到其中一个运行被测系统的功能模块中，输出比较器检测两个被测系统是否存在输出数据差异；如果是，则证明单粒子故障引起了被测系统的功能失效；如果没有出现差异，则证明故障对被测系统未产生影响或者故障被容忍了。

（3）在遍历每个功能模块的测试之后，将每个模块完成的故障注入次数和出现的功能失效次数发送至功能失效率分析单元计算出系统的功能失效率。即，功能失效分析单元收集每个模块的故障注入的次数N和引起的功能失效次数ki，根据这些数据算出系统的单粒子功能失效率。

参见图1，使用上位机来负责生成系统运行的配置程序和故障注入码流；使用下位机来下载要加载到两个被测系统的程序；使用故障注入器来生成可以注入到被测系统的故障码流，使用时钟同步单元来产生复位刷新信号控制两个系统的同时运行以及在失效时控制故障注入器对被测系统的故障注入；使用输出比较器来收集两个被测系统的输出数据进行比较，出现差异时反馈信号给时钟同步单元；使用功能失效分析单元来将每个功能模块的故障注入的次数和响应的功能失效次数进行收集，依此计算出整个系统的功能失效率。

如图2所示，为本发明方法在具体应用实例中，进行单粒子功能失效率测试的流程，其步骤为：

步骤1：整个系统上电；

步骤2：下位机从上位机把要配置到两个被测系统中的程序下载；

步骤3：下位机将程序配置给两个被测系统；

步骤4：时钟同步单元对两个系统发送复位指令控制两个被测系统同时运行；

步骤5：上位机将生成的故障注入位流下发到故障注入器中；

步骤6：故障注入器将码流进行解析并注入到其中一个被测系统的某一模块中，每成功完成一次注入，且注入故障数由n变为n+1；

步骤7：输出比较器收集两个被测系统的输出数据并进行比较，如两个被测系统的输出存在差异，功能失效由k变为k+1，同时时钟同步单元发送复位两个被测系统重新开始运行程序；如果不存在差异，则继续进行故障注入，记录注入故障的次数，直到发生故障注入为止。在较佳的实施例中，应对被测系统中的每个模块都需要完成一定次数N的故障注入，每个模块的N个故障注入至少应保证出现10次以上的功能失效，在完成一个模块的故障注入测试后，切换到下一个模块的故障注入，并重复上述步骤1～7；

步骤8：每个模块最后的故障注入数N和出现的功能失效次数k_i发送给功能失效率分析单元；

步骤9：功能失效率分析单元根据每个模块的故障注入数及引起功能失效次数计算出整个系统的单粒子功能失效率。

在上述的步骤中，上位机和功能失效率分析单元可以由一台计算机来实现，时钟同步单元和输出比较器以及下位机可以由一块FPGA实现，故障注入器可以由一块以FPGA为主芯片的电路板实现，利用FPGA修改器件中的配置码流中的数据位而实施故障注入。

如图3所示，为在具体实施例中单粒子故障注入流程示意图。单粒子故障注入的方法为利用FPGA修改器件中的配置码流，如某码流位从0->1或1->0，持续时间很短或一直保持，在从而产生如SEU和SET等单粒子故障。

故障注入的具体步骤如下：

步骤1：上位机的故障注入测试软件读取配置文件；

步骤2：将配置文件解析成功能模块的配置码流；

步骤3：从上位机故障注入软件界面接收用户设置参数；

步骤4：从用户设置参数解析出要修改的配置码流；

步骤5：解析完码流信息后，测试软件生成故障注入器能够识别的码流数据；

步骤6：上位机将码流数据发送到故障注入器；

步骤7：故障注入器接收上位机发送过来的码流数据；

步骤8：故障注入器解析从上位机发送过来的码流数据；

步骤9：将故障信息通过注入器通信接口发送到被测系统；

步骤10：回读故障注入确认数据与故障位流数据进行对比，确认故障注入顺利完成。

如图4所示，为本发明在具体应用实例中出现功能失效时系统刷新流程示意图，其具体步骤如下：

步骤1：输出比较器收集第一个被测系统和第二个被测系统的输出数据；

步骤2：输出比较器对第一个被测系统和第二个被测系统的输出数据进行比对，出现差异时发送一个信号给时钟同步单元，时钟同步单元收到此信号后对两个系统进行刷新，重新运行配置程序，并中断故障注入器的故障注入；如果相同的话，则证明未发生功能失效，继续进行故障注入直到发生功能中断为止。

在具体应用实例中，根据采集到的模块的故障注入数N和功能失效数k_i，系统的单粒子功能失效率计算流程如下：

（1）如果被测系统可划分为m个模块，收集到每个模块的故障注入次数为N，模块1至模块m的单粒子效应导致的系统功能失效次数分别为k₁、k₂…k_m。

（2）计算出每个功能模块单粒子软错误导致的系统功能失效率，第i个模块导致的系统功能失效率R_i为：R_i=k_i/N。

（3）假设在实际运行中各个模块发生的单粒子故障在整个系统故障中所占的比例为σ₁,σ₂......σ_m。那么系统整体的功能失效率为：

$R=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i{R}_i$

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法，其特征在于，步骤为：

（1）将被测系统进行功能模块划分；

（2）在两个同时运行的相同的被测系统中，对其中一个被测系统的一个功能模块注入单粒子故障，同时输出比较器采集两个被测系统的输出，进行比对；如果出现差异，则证明单粒子故障引起了被测系统的功能失效；如果没有出现差异，则证明故障对被测系统未产生影响或者故障被容忍了；

（3）在遍历每个功能模块的测试之后，根据每个模块完成的故障注入次数和出现的功能失效次数计算出系统的功能失效率。

2.根据权利要求1所述的基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法，其特征在于，使用上位机来负责生成系统运行的配置程序和故障注入码流；使用下位机来下载要加载到两个被测系统的程序；使用故障注入器来生成可以注入到被测系统的故障码流，使用时钟同步单元来产生复位刷新信号控制两个系统的同时运行以及在失效时控制故障注入器对被测系统的故障注入；使用输出比较器来收集两个被测系统的输出数据进行比较，出现差异时反馈信号给时钟同步单元；使用功能失效分析单元来将每个功能模块的故障注入的次数和响应的功能失效次数进行收集，依此计算出整个系统的功能失效率。

3.根据权利要求2所述的基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法，其特征在于，进行单粒子功能失效率测试的具体步骤为：

步骤1：整个系统上电；

步骤2：下位机从上位机把要配置到两个被测系统中的程序下载；

步骤3：下位机将程序配置给两个被测系统；

步骤4：时钟同步单元对两个系统发送复位指令控制两个被测系统同时运行；

步骤5：上位机将生成的故障注入位流下发到故障注入器中；

步骤6：故障注入器将码流进行解析并注入到其中一个被测系统的某一模块中，每成功完成一次注入，且注入故障数由n变为n+1；

步骤7：输出比较器收集两个被测系统的输出数据并进行比较，如两个被测系统的输出存在差异，功能失效由k变为k+1，同时时钟同步单元发送复位两个被测系统重新开始运行程序；如果不存在差异，则继续进行故障注入，记录注入故障的次数，直到发生故障注入为止；在完成一个模块的故障注入测试后，切换到下一个模块的故障注入，并重复上述步骤1～7；

步骤8：每个模块最后的故障注入数N和出现的功能失效次数k_i发送给功能失效率分析单元；

步骤9：功能失效率分析单元根据每个模块的故障注入数及引起功能失效次数计算出整个系统的单粒子功能失效率。

4.根据权利要求2所述的基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法，其特征在于，所述上位机和功能失效率分析单元由一台计算机来实现，所述时钟同步单元和输出比较器以及下位机由一块FPGA实现，所述故障注入器由一块以FPGA为主芯片的电路板实现，利用FPGA修改器件中的配置码流中的数据位而实施故障注入。

5.根据权利要求4所述的基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法，其特征在于，所述单粒子故障注入的具体步骤如下：

步骤1：上位机的故障注入测试软件读取配置文件；

步骤2：将配置文件解析成功能模块的配置码流；

步骤3：从上位机故障注入软件界面接收用户设置参数；

步骤4：从用户设置参数解析出要修改的配置码流；

步骤5：解析完码流信息后，测试软件生成故障注入器能够识别的码流数据；

步骤6：上位机将码流数据发送到故障注入器；

步骤7：故障注入器接收上位机发送过来的码流数据；

步骤8：故障注入器解析从上位机发送过来的码流数据；

步骤9：将故障信息通过注入器通信接口发送到被测系统；

步骤10：回读故障注入确认数据与故障位流数据进行对比，确认故障注入顺利完成。

6.根据权利要求2～5中任意一项所述的基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法，其特征在于，在出现功能失效时，系统刷新的具体步骤如下：

步骤1：输出比较器收集第一个被测系统和第二个被测系统的输出数据；

步骤2：输出比较器对第一个被测系统和第二个被测系统的输出数据进行比对，出现差异时发送一个信号给时钟同步单元，时钟同步单元收到此信号后对两个系统进行刷新，重新运行配置程序，并中断故障注入器的故障注入；如果相同的话，则证明未发生功能失效，继续进行故障注入直到发生功能中断为止。

7.根据权利要求2～5中任意一项所述的基于故障注入的测试系统单粒子功能失效率的方法，其特征在于，根据采集到的模块的故障注入数N和功能失效数k_i，系统的单粒子功能失效率计算流程如下：

（1）如果被测系统可划分为m个模块，收集到每个模块的故障注入次数为N，模块1至模块m的单粒子效应导致的系统功能失效次数分别为k₁、k₂…k_m；

（2）计算出每个功能模块单粒子软错误导致的系统功能失效率，第i个模块导致的系统功能失效率R_i为：R_i=k_i/N；

（3）假设在实际运行中各个模块发生的单粒子故障在整个系统故障中所占的比例为σ₁,σ₂......σ_m；那么系统整体的功能失效率为：