CN108226748A - 用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法，本发明包括对SoC处理器内部CPU单元、存储器单元、用户定义逻辑单元以及AD和DA、串行接口电路等外设单元单粒子效应的测试，可以对SoC处理器内部不同结构单元的单粒子效应进行有效测试，实现对SoC处理器单粒子效应的全面、合理评估。

Description

用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法。

背景技术

随着集成电路技术进入新阶段，市场开始转向追求体积更小、成本更低、功耗更少的产品，因此出现了将对个甚至整个系统集成在一个芯片上的产品—片上系统（System OnChip，SoC）。系统芯片将原先由多个芯片完成的功能集中到单芯片中完成。更具体地说，它在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，或者说在单一硅芯片上集成了数字电路、模拟电路、信号采集和转换电路、存储器、MPU、MCU、DSP、MPEG等，实现了一个系统的功能。

SoC并不是各个芯片功能的简单叠加，而是从整个系统的功能和性能出发，用软硬结合的设计和验证方法，利用芯核复用及深亚微米技术，在一个芯片上实现复杂功能。一个典型的SoC通常由以下部分组成：微处理器、存储器、提供数据路径的片上总线、定时和中断控制器、外部存储器控制器、通信控制器、通用I/O接口。另外，还可以包含视频解码器、UART接口等。图1是SoC结构的一种例子。

空间环境中质子、重离子等高能粒子引起的单粒子辐射效应会对宇航用元器件造成严重威胁，如引起存储器发生单粒子翻转、微处理器发生单粒子功能中断、场效应管发生单粒子烧毁和栅穿等。SoC作为未来航天器电子系统的重要组成部分，为单粒子效应敏感器件，一旦SoC由于单粒子辐射效应的影响出现性能降低或失效，将会对航天器的供电产生严重威胁。在地面实验室条件下利用重离子加速器、质子加速器等辐射源对宇航用SoC进行辐照试验，评估其抗单粒子辐射效应性能，是航天器抗辐射加固设计的一个重要环节。

国内目前建立的单粒子辐射效应测试装置主要适用于SRAM型FPGA、CPU处理器以及大容量存储器。中国专利CN103837839A“二次电源单粒子效应测试方法”给出了一种基于A/D转换器进行数据采集以及利用DSP和FPGA进行数据处理分析的二次电源模块单粒子辐射效应测试方法。对于超大规模SoC这样的复杂器件，目前没有相应的专利对其单粒子效应测试方法进行描述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法，能够对SoC处理器内部不同结构单元的单粒子效应进行有效测试，实现对SoC处理器单粒子效应的全面、合理评估。

为解决上述问题，本发明提供一种用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法，采用包括被测DSP、FPGA、PC机、PROM、电源和电流监测单元的测试系统，所述方法包括：

SoC处理器上电后自动加载PROM中的配置程序，PC机通过串口向FPGA发送控制指令，通过FPGA实现对被测DSP的读写操作；

被测SoC处理器上电后，配置程序加载至内部典型结构单元的工作状态寄存器，完成DSP工作状态的配置；

FPGA对被测SoC处理器内部典型结构单元的寄存器和存储器写入测试数据，包括对CPU内部的Cache缓存和通用寄存器组、SRAM存储器、FLASH存储器以及McBSP多通道缓冲串口、HPI主机接口、I2C总线接口、定时器的外设单元的寄存器写入“55H”或“AAH”测试数据；

辐照过程中，PC机通过FPGA向被测SoC处理器发出数据读取请求，被测SoC处理器通过物理地址映射读取所有被测寄存器和存储器中的存储数据，并将读取到的数据传送至FPGA；

FPGA通过串口将数据回送至PC机，PC机进行数据比对，统计被测SoC处理器内部寄存器和存储器的存储数据逻辑状态出错情况，显示出错寄存器的名称、所属结构单元、出错类型、出错时间及位数；

若PC机通过FPGA向被测SoC处理器发出数据读取指令后， DSP未产生响应，FPGA不能进行数据读取，则认为被测SoC处理器的功能出现中断；

测试系统采用两路电源单独对被测SoC处理器的内核及I/O口供电，实时监测内核及I/O口电源端的电源电流变化情况。

进一步的，在上述方法中，还包括：

通过所述测试系统在线测量典型新型电子器件的单粒子翻转、单粒子闩锁以及单粒子功能中断效应，完成一个LET值的单粒子效应测量后，对器件进行数据清零和重载；

再次选取LET值进行试验，直至完成所有LET值下的单粒子效应测量。

进一步的，在上述方法中，还包括：

测量不同LET值的重离子辐照下被测SoC处理器内部典型寄存器和存储器的存储数据逻辑状态翻转位数，计算单粒子翻转截面σ：测量SMJ320C6000系列高端DSP内部CPU寄存器，SRAM、FLASH或PROM存储器，McBSP多通道缓冲串口、HPI主机接口、I2C总线接口、定时器的外设单元的工作状态寄存器和数据寄存器的存储数据逻辑状态翻转位数，获得翻转截面，分析DSP内部不同结构单元的单粒子翻转敏感性。

进一步的，在上述方法中，还包括：

基于典型新型电子器件内部不同结构单元单粒子翻转截面σ与重离子LET值之间的关系分析，确定翻转阈值、翻转饱和截面，结合数值模拟和外推获得σ～LET曲线，获取典型新型电子器件的单粒子翻转效应规律。

进一步的，在上述方法中，还包括：

分析不同LET值的重离子辐照下典型新型电子器件的电源电流变化情况，包括被测SoC处理器的内核电源端电源电流、I/O口电源端电源电流随重离子LET值的变化情况，结合重离子辐照引起体硅工艺器件内部可控硅结构触发导通，确定典型新型电子器件的单粒子闩锁效应。

进一步的，在上述方法中，还包括：

根据不同LET值的重离子辐照下器件内部典型结构单元单粒子翻转效应的测量以及逻辑功能实现情况的监测，确定敏感单元出现单粒子翻转与整个器件发生单粒子功能中断之间的关系。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

a)全面测试SoC处理器内部不同结构单元的单粒子效应，测试覆盖性高；

b)测试向量简单，不需要大量的编程操作；

c)测试结果全面合理，能够综合反映SoC处理器的抗单粒子效应性能。

附图说明

图1是现有的SoC结构的一种例子；

图2是本发明一实施例的SoC处理器单粒子效应测试系统组成框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

SoC处理器敏感的单粒子效应主要包括单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闩锁。其中，单粒子翻转指单个高能粒子入射在器件内部产生大量电荷，如果被收集的电荷大于电路状态翻转所需临界电荷，就会形成瞬态电流，触发逻辑电路，引起器件内部逻辑位的存储信息由“1”变为“0”或由“0”变为“1”，电路逻辑状态将发生翻转，改变记忆单元中存储的逻辑信息。单粒子闩锁指由于单个高能粒子入射引起的体硅CMOS工艺器件内部寄生的p-n-p-n可控硅结构（SCR结构，silicon controlled rectifier）被触发导通而导致的器件电源电流急剧增大现象。单粒子功能中断指单个高能粒子入射引起的器件功能发生异常或失效。这种失效与单粒子闩锁引起的电源电流陡增失效模式不同，如高能粒子辐照条件下FPGA、DSP、CPU等信号处理器件的应用程序运行忽然发生中断等。

本发明包括对SoC处理器内部CPU单元、存储器单元、用户定义逻辑单元以及AD和DA、串行接口电路等外设单元单粒子效应的测试，可以对SoC处理器内部不同结构单元的单粒子效应进行有效测试，实现对SoC处理器单粒子效应的全面、合理评估。

本发明提供一种用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法，包括：

1.1 单粒子效应测试系统建立

对单粒子效应进行测试的前提是首先建立合适的测试系统，实现对被测SoC处理器内部不同结构单元单粒子效应的全面测试。图2给出了一个典型的SoC处理器单粒子效应测试系统组成框图，包括被测DSP、FPGA、PC机、PROM、电源和电流监测单元等。

a) SoC处理器上电后自动加载PROM中的配置程序，PC机通过串口向FPGA发送控制指令，通过FPGA实现对被测DSP的读写操作；

b) 被测SoC处理器上电后，配置程序加载至内部典型结构单元的工作状态寄存器，完成DSP工作状态的配置；

c) FPGA对被测SoC处理器内部典型结构单元的寄存器和存储器写入测试数据，如对CPU内部的Cache缓存和通用寄存器组、SRAM存储器、FLASH存储器以及McBSP多通道缓冲串口、HPI主机接口、I2C总线接口、定时器等外设单元的寄存器写入“55H”或“AAH”测试数据；

d) 辐照过程中，PC机通过FPGA向被测SoC处理器发出数据读取请求，被测SoC处理器通过物理地址映射读取所有被测寄存器和存储器中的存储数据，并将读取到的数据传送至FPGA；

e) FPGA通过串口将数据回送至PC机，PC机进行数据比对，统计被测SoC处理器内部寄存器和存储器的存储数据逻辑状态出错情况（WW≠0），显示出错寄存器的名称、所属结构单元、出错类型、出错时间及位数等；

f) 若PC机通过FPGA向被测SoC处理器发出数据读取指令后， DSP未产生响应，FPGA不能进行数据读取，则认为被测SoC处理器的功能出现中断；

g) 测试系统采用两路电源单独对被测SoC处理器的内核及I/O口供电，实时监测内核及I/O口电源端的电源电流变化情况。

1.2 单粒子效应辐照试验

利用以上建立的测试系统对被测SoC处理器内部不同结构单元的典型寄存器和存储器写入“55H”或“AAH”等测试数据，即“0”与“1”相互间隔的状态。选取一个LET值的重离子进行辐照试验，通过单粒子效应试验测试系统在线测量典型新型电子器件的单粒子翻转、单粒子闩锁以及单粒子功能中断效应。完成一个LET值的单粒子效应测量后，对器件进行数据清零和重载；再次选取LET值进行试验，直至完成所有LET值下的单粒子效应测量。

表1 重离子种类、能量、射程及其在Si中的LET值

5.3 SoC处理器的单粒子效应研究

测量不同LET值的重离子辐照下被测SoC处理器内部典型寄存器和存储器的存储数据逻辑状态翻转位数，计算单粒子翻转截面σ：测量SMJ320C6000系列高端DSP内部CPU寄存器，SRAM、FLASH或PROM存储器，McBSP多通道缓冲串口、HPI主机接口、I2C总线接口、定时器等外设单元的工作状态寄存器和数据寄存器的存储数据逻辑状态翻转位数，获得翻转截面，分析DSP内部不同结构单元的单粒子翻转敏感性。

基于典型新型电子器件内部不同结构单元单粒子翻转截面σ与重离子LET值之间的关系分析，探讨翻转阈值、翻转饱和截面等，结合数值模拟和外推获得σ～LET曲线，研究典型新型电子器件的单粒子翻转效应规律。

分析不同LET值的重离子辐照下典型新型电子器件的电源电流变化情况，如被测SoC处理器的内核电源端电源电流、I/O口电源端电源电流随重离子LET值的变化情况，结合重离子辐照引起体硅工艺器件内部可控硅结构（SCR）触发导通，探讨典型新型电子器件的单粒子闩锁效应。

根据不同LET值的重离子辐照下器件内部典型结构单元单粒子翻转效应的测量以及逻辑功能实现情况的监测，研究敏感单元出现单粒子翻转与整个器件发生单粒子功能中断之间的关系。

本发明的优点在于：

a)全面测试SoC处理器内部不同结构单元的单粒子效应，测试覆盖性高；

b)测试向量简单，不需要大量的编程操作；

c)测试结果全面合理，能够综合反映SoC处理器的抗单粒子效应性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法，其特征在于，采用包括被测DSP、FPGA、PC机、PROM、电源和电流监测单元的测试系统，所述方法包括：

SoC处理器上电后自动加载PROM中的配置程序，PC机通过串口向FPGA发送控制指令，通过FPGA实现对被测DSP的读写操作；

被测SoC处理器上电后，配置程序加载至内部典型结构单元的工作状态寄存器，完成DSP工作状态的配置；

FPGA对被测SoC处理器内部典型结构单元的寄存器和存储器写入测试数据，包括对CPU内部的Cache缓存和通用寄存器组、SRAM存储器、FLASH存储器以及McBSP多通道缓冲串口、HPI主机接口、I2C总线接口、定时器的外设单元的寄存器写入“55H”或“AAH”测试数据；

辐照过程中，PC机通过FPGA向被测SoC处理器发出数据读取请求，被测SoC处理器通过物理地址映射读取所有被测寄存器和存储器中的存储数据，并将读取到的数据传送至FPGA；

FPGA通过串口将数据回送至PC机，PC机进行数据比对，统计被测SoC处理器内部寄存器和存储器的存储数据逻辑状态出错情况，显示出错寄存器的名称、所属结构单元、出错类型、出错时间及位数；

若PC机通过FPGA向被测SoC处理器发出数据读取指令后， DSP未产生响应，FPGA不能进行数据读取，则认为被测SoC处理器的功能出现中断；

测试系统采用两路电源单独对被测SoC处理器的内核及I/O口供电，实时监测内核及I/O口电源端的电源电流变化情况。

2.如权利要求1所述的用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法，其特征在于，还包括：

通过所述测试系统在线测量典型新型电子器件的单粒子翻转、单粒子闩锁以及单粒子功能中断效应，完成一个LET值的单粒子效应测量后，对器件进行数据清零和重载；

再次选取LET值进行试验，直至完成所有LET值下的单粒子效应测量。

3.如权利要求1所述的用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法，其特征在于，还包括：

测量不同LET值的重离子辐照下被测SoC处理器内部典型寄存器和存储器的存储数据逻辑状态翻转位数，计算单粒子翻转截面σ：测量SMJ320C6000系列高端DSP内部CPU寄存器，SRAM、FLASH或PROM存储器，McBSP多通道缓冲串口、HPI主机接口、I2C总线接口、定时器的外设单元的工作状态寄存器和数据寄存器的存储数据逻辑状态翻转位数，获得翻转截面，分析DSP内部不同结构单元的单粒子翻转敏感性。

4.如权利要求3所述的用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法，其特征在于，还包括：

基于典型新型电子器件内部不同结构单元单粒子翻转截面σ与重离子LET值之间的关系分析，确定翻转阈值、翻转饱和截面，结合数值模拟和外推获得σ～LET曲线，获取典型新型电子器件的单粒子翻转效应规律。

5.如权利要求3所述的用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法，其特征在于，还包括：

分析不同LET值的重离子辐照下典型新型电子器件的电源电流变化情况，包括被测SoC处理器的内核电源端电源电流、I/O口电源端电源电流随重离子LET值的变化情况，结合重离子辐照引起体硅工艺器件内部可控硅结构触发导通，确定典型新型电子器件的单粒子闩锁效应。

6.如权利要求3所述的用于SoC片上系统的单粒子效应测试方法，其特征在于，还包括：

根据不同LET值的重离子辐照下器件内部典型结构单元单粒子翻转效应的测量以及逻辑功能实现情况的监测，确定敏感单元出现单粒子翻转与整个器件发生单粒子功能中断之间的关系。