CN105609139B - Sram型fpga中子单粒子效应试验控制方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法，包括：S1：对器件的多个控制参数进行设置与计算；S2：在完成设置与计算的多个控制参数组合的约束条件下对器件进行控制。本发明明确规定了试验应当控制的参数条件以及约束各参数的控制方法，优化并提出了完整的试验过程控制理论方法，保证了试验结果的正确性，也为保证航空/航天系统在空间环境中系统可靠性研究奠定了基础。本发明还公开了SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制装置。

Description

SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法与装置
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法与装置。
背景技术
目前，为了研究SRAM型FPGA的敏感特性，国内目前用14MeV能量的中子来代替实际空间环境中的中子对SRAM型FPGA进行辐照试验。在试验过程中，如何控制试验参数、约束试验条件，保证试验结果精确性成为进行有效研究的重要前提。目前国内单粒子效应的研究尚属初步阶段，更没有建立完整的试验结果精确性控制体系。因此，从试验参数的确定于控制方法入手，制定了一套试验过程控制理论，可以保证试验结果的正确性，进而为保证航空/航天系统在空间环境中的系统可靠性打下坚实基础。
具体地，SRAM型FPGA是机载电子设备的关键核心器件，其工作状态将直接影响所在设备的功能。然而在3km-20km的飞行高度中，在大气中子的作用下，SRAM型FPGA的敏感功能块将会产生单粒子效应，造成软件错误与硬件故障。
进一步地，SRAM型FPGA的敏感位有配置位和块存储器灯，在实际的空间环境中，每种敏感功能块都有可能发生单粒子翻转、功能终止等效应。然而在现阶段的模拟实验中，我们只针对设备上的某一个或者某几个的敏感器件上的部分敏感功能块进行辐照试验，并没有全面考虑所有的敏感功能块所能造成的危害；另一方面，在进行辐照试验时，没有对器件总位数B进行严格讨论，没有给出错误数N，累计注量F的控制方法，也没有对试验截止条件Nend，Fend进行理论分析，这些都将导致试验程序的规范性不足，进而影响试验结果的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何从试验应当控制的参数以及出参数控制方法入手，优化一套试验过程控制理论，既能保证试验结果的正确性，又能保证航空/航天系统在空间环境中的系统可靠性的关键问题。
为此目的，本发明提出了SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法，包括具体以下步骤：
S1：对器件的多个控制参数进行设置与计算；
S2：在完成设置与计算的多个控制参数组合的约束条件下对器件进行控制。
具体地，所述多个控制参数包括：错误数观测值N、未防护位B、注量率F、器件敏感功能块数i、错误类型数j、试验截止检测错误数Nend以及截止注量Fend。
进一步地，所述错误数观测值N由公式计算获得，所述公式为：
N＝N0*[错误传递率/(软件用例覆盖率*软件用例测试覆盖率)]，其中，N0为初始错误数观测值，所述错误传递率、软件用例覆盖率以及软件用例测试覆盖率均为试验联调联试时的获取值。
进一步地，所述未防护位B由公式计算获得，所述公式为：
B＝B0*资源利用率*未防护率，其中，B0为真实的配置工作位数，所述资源利用率以及未防护率均为试验联调联试时的获取值。
进一步地，所述注量率F由公式计算获得，所述公式为：
其中，F为试验器件接收到的中子累积注量，单位为n/cm2；Netarea为监测到的靶源产生的α粒子数；R为试验器件到靶源的距离，单位为cm。
进一步地，所述试验截止检测错误数Nend以及截止注量Fend的获取具体为：
首先，在器件不可重复抽样的情况下，显著水平α＝0.05，置信度CL＝1-α时，根据置信区间的定义，建立计算模型：
再次，将及代入建立计算模型进行整理，得到公式：
最终，根据预设表中不同精度的对应值获取所述截止检测错误数Nend以及截止注量Fend。
为此目的，本发明提出了SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制装置，包括：
设置计算模块，用于对器件的多个控制参数进行设置与计算；
控制模块，用于在完成设置与计算的多个控制参数组合的约束条件下对器件进行控制。
具体地，所述多个控制参数包括：错误数观测值N、未防护位B、注量率F、器件敏感功能块数i、错误类型数j、试验截止检测错误数Nend以及截止注量Fend。
本发明公开SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法，通过确规定了试验应当控制的参数条件以及约束各参数的控制方法，优化并提出了完整的试验过程控制理论方法，保证了试验结果的正确性，也为保证航空/航天系统在空间环境中系统可靠性研究奠定了基础。本发明还公开了SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制装置。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中的SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法的步骤流程图；
图2示出了本发明实施例中的SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制装置的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
为了更好的理解与应用本发明提出的SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法与装置，以如下附图示例进行详细说明。
如图1所示，本发明提供了SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法，包括具体以下步骤：
步骤S1：对器件的多个控制参数进行设置与计算。
具体地，多个控制参数包括：错误数观测值N、未防护位B、注量率F、器件敏感功能块数i、错误类型数j、试验截止检测错误数Nend以及截止注量Fend。
进一步地，错误数观测值N由公式计算获得，公式为：
N＝N0*[错误传递率/(软件用例覆盖率*软件用例测试覆盖率)]，其中，N0为初始错误数观测值，错误传递率、软件用例覆盖率以及软件用例测试覆盖率均为试验联调联试时的获取值。
更进一步地，错误数观测值N的影响因素很多，主要包括：器件结构，即厂家、年代、型号、工艺尺寸的器件样品，需要监测的器件功能块，单粒子效应种类；未防护位，即所有可能执行功能的bit位(总bit位数、资源利用率)、防护措施及未防护bit位；测试用例，即输入、输出、测试指令、错误判据、软件用例覆盖率、软件用例测试覆盖率；数据处理，即为获得准确的观测值N，需要做好器件预估工作，初步掌握影响因素的作用。
更进一步地，在程序中规避重大错误。重点相关试验程序包括：器件预估，即掌握器件结构、未防护位、测试用例、数据处理方法，写入《试验大纲》；联调联试，即联调联试记录相关信息，写入《试验前检查表》；试验现场调试，即试验现场核对，写入《试验现场调试记录表》；试验现场监测，即试验现场监测，写入《试验现场记录表》；数据处理，即写入《试验数据处理记录表》，其中，《试验大纲》中试验监测应当规定静态、动态、资源利用率、测试用例覆盖率、错误传递率的联调联试要求。
进一步地，未防护位B由公式计算获得，公式为：
B＝B0*资源利用率*未防护率，其中，B0为真实的配置工作位数，所述资源利用率以及未防护率均为试验联调联试时的获取值。
具体地，试验中通常首先配置需要试验的工作位，位数几乎接近于其最大容量位数，但需记录真实的配置工作位数B0；试验中如果使用的位数是固定的B1，并且位置固定，则其资源使用率为B1/B0；如果使用的位数是固定的B1，但是位置不固定，则其资源使用率为1，除非有证据证明其资源使用率；试验中未采取ECC、EDAC、汉明码、CRC等探测并纠正的位数B2，则其未防护率为B2/B0。
进一步地，注量率F由公式计算获得，公式为：
其中，F为试验器件接收到的中子累积注量，单位为n/cm2；Netarea为监测到的靶源产生的α粒子数；R为试验器件到靶源的距离，单位为cm，且中子单粒子效应试验注量监测，采用的是伴随α粒子的监测方法，这种监测方法在国际上是最通用的而且最准确的方法，误差在1％左右。注量监测通过中国院子能科学研究院提供的测试软件及测试公式构成。
进一步地，SRAM型FPGA的敏感部位有配置存储器、布线资源、可编程I/O、可编程逻辑单元、块存储器和乘法器、数字时钟管理模块等，其中对单粒子翻转效应比较敏感的部分为配置存储器、DCM、CLB、块存储器；对单粒子功能中断的敏感部分为配置存储器、上电复位电路、Select MAP接口和JATAG接口，FPGA还会发生SEL效应。故对于FPGA，i＝4 j＝3，在试验中应当充分考虑所有的敏感功能块的所有可能的故障类型。
进一步地，试验截止检测错误数Nend以及截止注量Fend的获取具体为：
首先，在器件不可重复抽样的情况下，显著水平α＝0.05，置信度CL＝1-α时，根据置信区间的定义，建立计算模型：
再次，将及代入建立计算模型进行整理，得到公式：
最终，根据预设表中不同精度的对应值获取截止检测错误数Nend以及截止注量Fend。例如，根据精度要求，由上述式子可计算获得下述表，如表1和表2所示，并依据下表可以选择试验终止前至少应当达到的截止检测错误数Nend以及截止注量Fend。
表1 精度与试验终止前监测错误数Nend的关系
Nend 标准偏差σ％ 精度ε％
30 18.26％ 35.79％
100 10.00％ 19.60％
300 5.77％ 11.31％
1000 3.16％ 6.19％
3000 1.83％ 3.56％
5000 1.41％ 2.76％
表2 精度与试验终止前累积注量Fend的关系
Fend B σ 精度ε％
108 107 10－13 10％
109 107 10－13 3.16％
1010 107 10－13 1％
108 107 10－14 31.6％
109 107 10－14 10％
1010 107 10－14 3.16％
108 107 10－15 100％
109 107 10－15 31.6％
1010 107 10－15 10％
步骤S2：在完成设置与计算的多个控制参数组合的约束条件下对器件进行控制。
本发明提出一套试验结果精确性保证理论体系，保证试验过程的规范，为后续试验数据的分析和应用提供精确地试验结果；明确在试验中应当考虑因素和各因素的控制方法，给出在试验精度约束下的试验终止条件设定的理论计算依据；全面考虑了实际大气条件下的器件敏感情况以及相应的潜在问题，为后续的失效率研究以及防护措施提供更加科学准确的指导。
为了更好的理解与应用本发明提出的SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法，本发明从上述方法中抽象出SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制装置。
如图2所示，本发明提供了SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制装置10，包括：设置计算模块101以及控制模块102。
具体地，设置计算模块101用于对器件的多个控制参数进行设置与计算；控制模块102用于在完成设置与计算的多个控制参数组合的约束条件下对器件进行控制。其中，多个控制参数包括：错误数观测值N、未防护位B、注量率F、器件敏感功能块数i、错误类型数j、试验截止检测错误数Nend以及截止注量Fend。
本发明公开SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法，通过确规定了试验应当控制的参数条件以及约束各参数的控制方法，优化并提出了完整的试验过程控制理论方法，保证了试验结果的正确性，也为保证航空/航天系统在空间环境中系统可靠性研究奠定了基础。本发明还公开了SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制装置。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (2)

1.SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制方法，其特征在于，包括具体以下步骤：
S1：对器件的多个控制参数进行设置与计算；
S2：在完成设置与计算的多个控制参数组合的约束条件下对器件进行控制；
其中，所述多个控制参数包括：错误数观测值N、未防护位B、注量率F、器件敏感功能块数i、错误类型数j、试验截止检测错误数Nend以及截止注量Fend；
所述错误数观测值N由公式计算获得，所述公式为：
N＝N0*[错误传递率/(软件用例覆盖率*软件用例测试覆盖率)]，其中，N0为初始错误数观测值，所述错误传递率、软件用例覆盖率以及软件用例测试覆盖率均为试验联调联试时的获取值；
所述未防护位B由公式计算获得，所述公式为：
B＝B0*资源利用率*未防护率，其中，B0为真实的配置工作位数，所述资源利用率以及未防护率均为试验联调联试时的获取值；
所述注量率F由公式计算获得，所述公式为：
其中，F为试验器件接收到的中子累积注量，单位为n/cm2；Netarea为监测到的靶源产生的α粒子数；R为试验器件到靶源的距离，单位为cm；
所述试验截止检测错误数Nend以及截止注量Fend的获取具体为：
首先，在器件不可重复抽样的情况下，显著水平α＝0.05，置信度CL＝1-α时，根据置信区间的定义，建立计算模型：
再次，将及代入建立计算模型进行整理，得到公式：
最终，根据预设表中不同精度的对应值获取所述截止检测错误数Nend以及截止注量Fend。
2.SRAM型FPGA中子单粒子效应试验控制装置，其特征在于，包括：
设置计算模块，用于对器件的多个控制参数进行设置与计算；
控制模块，用于在完成设置与计算的多个控制参数组合的约束条件下对器件进行控制；
所述多个控制参数包括：错误数观测值N、未防护位B、注量率F、器件敏感功能块数i、错误类型数j、试验截止检测错误数Nend以及截止注量Fend；
所述错误数观测值N由公式计算获得，所述公式为：
N＝N0*[错误传递率/(软件用例覆盖率*软件用例测试覆盖率)]，其中，N0为初始错误数观测值，所述错误传递率、软件用例覆盖率以及软件用例测试覆盖率均为试验联调联试时的获取值；
所述未防护位B由公式计算获得，所述公式为：
B＝B0*资源利用率*未防护率，其中，B0为真实的配置工作位数，所述资源利用率以及未防护率均为试验联调联试时的获取值；
所述注量率F由公式计算获得，所述公式为：
其中，F为试验器件接收到的中子累积注量，单位为n/cm2；Netarea为监测到的靶源产生的α粒子数；R为试验器件到靶源的距离，单位为cm；
所述试验截止检测错误数Nend以及截止注量Fend的获取具体为：
首先，在器件不可重复抽样的情况下，显著水平α＝0.05，置信度CL＝1-α时，根据置信区间的定义，建立计算模型：
再次，将及代入建立计算模型进行整理，得到公式：
最终，根据预设表中不同精度的对应值获取所述截止检测错误数Nend以及截止注量Fend。
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