CN108646106A - 具有单粒子翻转故障注入功能的微型icap控制器 - Google Patents

Abstract

一种具有单粒子翻转故障注入功能的微型ICAP控制器，PicoBlaze作为ICAP控制器的主控制单元，接收来自重构系统的功能请求或故障注入请求指令，然后控制ICAP端口与帧故障检测单元进行工作；ICAP控制器的结构：由RAM、PicoBlaze控制器、ICAP端口、帧检测单元组成；PicoBlaze控制重配置和故障注入的整个过程；RAM受PicoBlaze控制器的控制，用于存储配置帧数据；帧检测单元用于对配置过程中的帧数据进行校验；在配置过程中，PicoBlaze接收重构系统的功能指令，解析之后完成相应功能。ICAP控制器故障注入功能不需要额外的资源，不影响重构系统的运行，效果接近真实环境。

Description

具有单粒子翻转故障注入功能的微型ICAP控制器

技术领域：

本发明具有单粒子翻转故障注入功能的微型ICAP{ICAP是InternalConfiguration Access Port(ICAP)内部配置端口的缩写}控制器，其是一种用于动态重构过程中进行部分比特文件重配置的控制器，特别是一种具有实时在线单粒子翻转故障注入功能的配置端口控制器，实现对FPGA在线故障注入以及重配置功能，属于计算机技术领域。

背景技术：

当前，FPGA在嵌入式系统以及高速运行环境中的应用越来越多，这得益于FPGA灵活的可编程特性，再加之它具有可重构的特性，使得FPGA在工业控制中的作用越来越大。可重构特性允许用户在FPGA运行过程中动态的改变部分内部的配置信息。用户通过内部配置端口(ICAP)访问FPGA的配置寄存器。ICAP控制器作为重构系统重要的环节，它处于重构系统的静态区，如果能够缩小ICAP控制器所占用的资源数量，那么动态重构区的面积就更大，重构过程就会更加灵活。同时可靠性是动态重构系统的一个非常重要的指标，而在太空等特殊应用场合，因为空间中高能粒子的存在使得FPGA受到单粒子翻转的影响较为严重，因此，研究单粒子翻转对重构系统的可靠性影响很有必要。当前重构系统故障诊断中使用的故障注入方法多数依赖专门的器件或者软件，导致了资源占用多而且增加了重构系统连接的复杂度，进而降低可靠性。

发明内容：

本发明提供一种具有单粒子故障注入功能的微型ICAP控制器，其目的是：为动态重构系统提供一种占用资源少、功能齐全并且具有在线单粒子翻转故障注入功能的ICAP控制器。该控制器减少了重构系统中ICAP控制器的资源占用，使得系统用于任务重构的资源面积增大，同时为重构系统的可靠性研究提供了有效的在线故障注入方法。

本发明提供一种具有单粒子故障注入功能的微型ICAP控制器，其技术方案是：PicoBlaze作为ICAP控制器的主控制单元，接收来自重构系统的功能请求或故障注入请求指令，然后控制ICAP端口与帧故障检测单元进行工作。

ICAP控制器的结构：请参阅图1，由RAM、PicoBlaze控制器、ICAP端口、帧检测单元组成；作为ICAP控制器的主控单元PicoBlaze控制重配置和故障注入的整个过程；RAM受PicoBlaze控制器的控制，用于存储配置帧数据；帧检测单元用于对配置过程中的帧数据进行校验。在配置过程中，PicoBlaze接收重构系统的功能指令，解析之后完成相应功能。

ICAP控制器内部端口连接情况如下：

RAM单元4包括端口21、22、23和24；端口21为使能读写使能端口，端口22为数据输入端口，端口23为数据地址信息端口，端口24为数据输出端口。PicoBlaze控制器1包括端口6、7、8、26和9；端口6为数据和指令输入端口；端口7为数据和指令输出端口；端口8和26为写过滤端口；端口9功能为读写端口选择。ICAP端口包括18、19、20和25端口；端口18为ICAP端口使能，端口19为配置信息输入总线端口，端口20为ICAP端口读写选择，端口25为配置信息输出总线端口。帧检测单元包括10、11、12、13、14、15、16和17端口。端口10的功能为输出端口17的状态信息，端口11为输出配置帧错误检测信息，端口12为输出配置帧错误标志位，端口13为输出配置信息循环冗余码错误标志位，端口14为输出帧地址寄存器值，端口15为输出位地址错误信息，端口16为输出错误帧的位置信息，端口17为输出错误配置位的信息。

请参阅图1，帧检测单元的端口10、端口11、端口12、端口13、端口14、端口15、端口16、端口17通过多路选择器5与PicoBlaze控制器1的6端口相连，帧检测单元2通过以上端口向PicoBlaze控制器1发送帧检测信息以及帧地址信息；ICAP端口3的端口18与PicoBlaze控制器1的端口8相连，端口8为ICAP端口提供使能时钟信号；ICAP端口的端口25通过多路选择器5与PicoBlaze控制器1的端口6相连，端口25将FPGA配置寄存器中的配置帧信息返回到PicoBlaze控制器；ICAP端口3的端口19译码器与PicoBlaze控制器1的端口7通过数据选择器进行相连，用于将配置帧信息从PicoBlaze控制器写入到ICAP端口；ICAP端口3的端口20与PicoBlaze控制器的端口7直接相连，用于控制ICAP端口3进行读写功能的选择；RAM4的端口21通过一个与门与PicoBlaze控制器1的端口26和端口9相连，PicoBlaze控制器通过端口26和端口9向RAM发送读写使能信号；RAM 4的端口22与PicoBlaze控制器1的端口7直接相连，端口22用于接收PicoBlaze控制器发来的配置帧信息；RAM4的端口23通过译码器与PicoBlaze控制器1的端口7和端口9相连，端口23用于接收PicoBlaze控制器发来的读写RAM的地址信息；RAM 4的端口24通过多路选择器5与PicoBlaze控制器进行相连，用于将存储在RAM 4中的指令发送到PicoBlaze控制器中。

ICAP控制器在运行过程中，其按照以下进行：

根据功能的不同，将ICAP控制器的运行过程分为独立的两个过程，分别为重配置过程和故障注入过程。

在重配置过程中，Picoblaze接收重构系统发来的指令并解析，接收重构系统发来的需要完成配置的帧数据并写入到本地RAM中，数据写入完成之后，向ICAP端口发送写入使能信号，并从本地RAM中读取一帧发送到该端口，完成一帧的配置，同时RAM的读地址加1，为下一帧信息的读取做准备，顺次完成完整配置信息的重配置，进而实现部分重构的功能。

在故障注入的过程中，首先Picoblaze控制器接收外部的故障注入指令，然后进行解析，得到故障注入的配置位置以及配置帧修改位置信息，控制ICAP端口将指定位置的配置信息读回到本地RAM中，之后Picoblaze对RAM特定帧的数据进行位翻转操作，执行完成之后，RAM中的配置信息已经发生改变；并且这一帧是不符合CRC校验规则的，因而需要将帧检测单元的CRC校验功能关闭；然后将修改之后的RAM中的配置信息配置到FPGA内部，Picoblaze向ICAP端口发送配置帧写使能信号，即完成对特定位置的单粒子翻转故障注入。单粒子故障注入，请参阅图2，在故障注入的过程中，首先将指定位置的配置帧信息读取到本地RAM中，然后用户指定进行软故障注入的字的位置以及字的位数。用户根据上图选定故障注入的配置帧位置，然后根据配置帧的信息选择配置帧中的即将注入故障的字，每个字是由32位二进制数构成，因而需要选择注入字的位置(即选择32位中的其中一个)，图2中，选定WORD 49进行故障注入，并选择WORD 49中的第11位进行翻转，然后用翻转之后的WORD49将原来的WORD 49替换，构成携带有故障信息的配置帧，最后通过调用帧写入命令，将携带有单粒子故障信息的帧写入到原位置，完成故障注入过程。

本发明一种具有单粒子故障注入功能的微型ICAP控制器,具有如下积极效果和优点：

1.ICAP控制器能够接收重构系统的调用并实现对重构信息的配置功能，占用资源少；

2.ICAP控制器具有在线单粒子故障注入功能，为动态重构系统的可靠性分析提供了有效的故障注入手段；

3.ICAP控制器故障注入功能不需要额外的资源，而且不影响重构系统的运行过程，故障注入效果接近真实环境；

附图说明：

图1是本发明具有单粒子翻转故障注入功能的微型ICAP控制器结构图。

图2是具有单粒子翻转故障注入功能的微型ICAP控制器故障注入过程图。

具体实施方式：

本发明提供一种具有单粒子故障注入功能的微型ICAP控制器，其目的是：为动态重构系统提供一种占用资源少、功能齐全并且具有在线单粒子翻转故障注入功能的ICAP控制器。该控制器减少了重构系统中ICAP控制器的资源占用，使得系统用于任务重构的资源面积增大，同时为重构系统的可靠性研究提供了有效的在线故障注入方法。

本发明提供一种具有单粒子故障注入功能的微型ICAP控制器，其技术方案是：PicoBlaze作为ICAP控制器的主控制单元，接收来自重构系统的功能请求或故障注入请求指令，然后控制ICAP端口与帧故障检测单元进行工作。

ICAP控制器的结构：请参阅图1，由RAM、PicoBlaze控制器、ICAP端口、帧检测单元组成；作为ICAP控制器的主控单元PicoBlaze控制重配置和故障注入的整个过程。RAM受PicoBlaze控制器的控制，用于存储配置帧数据；帧检测单元用于对配置过程过程中的帧数据进行校验。在配置过程中，PicoBlaze接收重构系统的功能指令，解析之后完成相应功能。

RAM单元4包括端口21、22、23和24；端口21为使能读写使能端口，端口22为数据输入端口，端口23为数据地址信息端口，端口24为数据输出端口。PicoBlaze控制器1包括端口6、7、8、26和9；端口6为数据和指令输入端口；端口7为数据和指令输出端口；端口8和26为写过滤端口；端口9功能为读写端口选择。ICAP端口包括18、19、20和25端口；端口18为ICAP端口使能，端口19为配置信息输入总线端口，端口20为ICAP端口读写选择，端口25为配置信息输出总线端口。帧检测单元包括10、11、12、13、14、15、16和17端口。端口10的功能为输出端口17的状态信息，端口11为输出配置帧错误检测信息，端口12为输出配置帧错误标志位，端口13为输出配置信息循环冗余码错误标志位，端口14为输出帧地址寄存器值，端口15为输出位地址错误信息，端口16为输出错误帧的位置信息，端口17为输出错误配置位的信息。

ICAP控制器内部端口连接情况如下：

请参阅图1，帧检测单元的端口10、端口11、端口12、端口13、端口14、端口15、端口16、端口17通过多路选择器5与PicoBlaze控制器1的6端口相连，帧检测单元2通过以上端口向PicoBlaze控制器1发送帧检测信息以及帧地址信息；ICAP端口3的端口18与PicoBlaze控制器1的端口8相连，端口8为ICAP端口提供使能时钟信号；ICAP端口的端口25通过多路选择器与PicoBlaze控制器1的端口6相连，端口25将FPGA配置寄存器中的配置帧信息返回到PicoBlaze控制器；ICAP端口3的端口19译码器与PicoBlaze控制器1的端口7通过数据选择器进行相连，用于将配置帧信息从PicoBlaze控制器写入到ICAP端口；ICAP端口3的端口20与PicoBlaze控制器的端口7直接相连，用于控制ICAP端口3进行读写功能的选择；RAM4的端口21通过一个与门与PicoBlaze控制器1的端口26和端口9相连，PicoBlaze控制器通过端口26和端口9向RAM发送读写使能信号；RAM 4的端口22与PicoBlaze控制器1的端口7直接相连，端口22用于接收PicoBlaze控制器发来的配置帧信息；RAM4的端口23通过译码器与PicoBlaze控制器1的端口7和端口9相连，端口23用于接收PicoBlaze控制器发来的读写RAM的地址信息；RAM 4的端口24通过多路选择器5与PicoBlaze控制器进行相连，用于将存储在RAM 4中的指令发送到PicoBlaze控制器中。

ICAP控制器功能包括：读配置寄存器、读配置帧、写配置帧、检测与校验使能、查询线性地址对应的物理地址、对物理地址进行锁定和单粒子故障注入；

读配置寄存器功能，该功能用于实时获取FPGA内部配置寄存器的状态信息，包括对IDCODE,CTL0,STAT,COR0,COR1,WBSTAT和BOOTSTS寄存器信息的读取；

读配置帧功能，该功能通过PicoBlaze控制器控制ICAP端口进行读操作实现，完成对FPGA内部执行物理地址中的配置信息读取，并将该信息写入到本地RAM中；

写配置帧功能，该功能向FPGA内部特定物理地址写入一帧配置信息，该帧信息存储在本地RAM中，在写入的过程中，帧地址寄存器中的物理地址自动加1，为下一帧的写入做准备，因为，在配置过程中，往往不是独立的一帧进行，而是对指定区域进行多帧写入的过程；

检测和校验使能功能，该功能用于控制在配置过程中，ICAP控制器是否对写入的配置帧进行校验，该功能在故障注入的过程中，与单粒子故障注入功能配合使用；

查询线性地址对应的物理地址，在FPGA内部，实际的帧物理地址不是连续，因而无法与线性地址进行直接匹配，该功能实现了物理地址与线性地址的映射；

对物理地址进行锁定，该指令用于指定ICAP端口下一次读写的物理地址，实现对特定的物理帧地址进行读写，该功能是单粒子故障注入的基础；

单粒子故障注入，请参阅图2，在故障注入的过程中，首先将指定位置的配置帧信息读取到本地RAM中，然后用户指定进行软故障注入的字的位置以及字的位数。用户根据上图选定故障注入的配置帧位置，然后根据配置帧的信息选择配置帧中的即将注入故障的字，每个字是由32位二进制数构成，因而需要选择注入字的位置(即选择32位中的其中一个)，图2中，选定WORD 49进行故障注入，并选择WORD 49中的第11位进行翻转，然后用翻转之后的WORD 49将原来的WORD 49替换，构成携带有故障信息的配置帧，最后通过调用帧写入命令，将携带有单粒子故障信息的帧写入到原位置，完成故障注入过程。

ICAP控制器在运行过程中，其按照以下进行：

根据功能的不同，将ICAP控制器的运行过程分为独立的两个过程，分别为重配置过程和故障注入过程。

在重配置过程中，Picoblaze接收重构系统发来的指令并解析，接收重构系统发来的需要完成配置的帧数据并写入到本地RAM中，数据写入完成之后，向ICAP端口发送写入使能信号，并从本地RAM中读取一帧发送到该端口，完成一帧的配置，同时RAM的读地址加1，为下一帧信息的读取做准备，顺次完成完整配置信息的重配置，进而实现部分重构的功能。

在故障注入的过程中，首先Picoblaze控制器接收外部的故障注入指令，然后进行解析，得到故障注入的配置位置以及配置帧修改位置信息，控制ICAP端口将指定位置的配置信息读回到本地RAM中，之后Picoblaze对RAM特定帧的数据进行位翻转操作，执行完成之后，RAM中的配置信息已经发生改变；并且这一帧是不符合CRC校验规则的，因而需要将帧检测单元的CRC校验功能关闭；然后将修改之后的RAM中的配置信息配置到FPGA内部，PICOBLAZE向ICAP端口发送配置帧写使能信号，即完成对特定位置的单粒子翻转故障注入。

Claims (3)

1.一种具有单粒子翻转故障注入功能的微型ICAP控制器，其特征在于：PicoBlaze作为ICAP控制器的主控制单元，接收来自重构系统的功能请求或故障注入请求指令，然后控制ICAP端口与帧故障检测单元进行工作；

ICAP控制器的结构：由RAM、PicoBlaze控制器、ICAP端口、帧检测单元组成；PicoBlaze控制重配置和故障注入的整个过程；RAM受PicoBlaze控制器的控制，用于存储配置帧数据；帧检测单元用于对配置过程中的帧数据进行校验；在配置过程中，PicoBlaze接收重构系统的功能指令，解析之后完成相应功能；

ICAP控制器内部端口连接情况如下：

RAM包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；第一端口为使能读写使能端口，第二端口为数据输入端口，第三端口为数据地址信息端口，第四端口为数据输出端口；

PicoBlaze控制器包括第五端口、第六端口、第七端口、第八端口和第九端口；第五端口为数据和指令输入端口；第六端口为数据和指令输出端口；第七端口和第八端口为写过滤端口；第九端口功能为读写端口选择；

ICAP端口包括第十端口、第十一端口、第十二端口和第十三端口；第十端口为ICAP端口使能，第十一端口为配置信息输入总线端口，第十二端口为ICAP端口读写选择，第十三端口为配置信息输出总线端口；

帧检测单元包括第十四端口、第十五端口、第十六端口、第十七端口、第十八端口、第十九端口、第二十端口和第二十一端口；第十四端口的功能为输出端口的状态信息，第十五端口为输出配置帧错误检测信息，第十六端口为输出配置帧错误标志位，第十七端口为输出配置信息循环冗余码错误标志位，第十八端口为输出帧地址寄存器值，第十九端口为输出位地址错误信息，第二十端口为输出错误帧的位置信息，第二十一端口为输出错误配置位的信息；

帧检测单元的第十四端口、第十五端口、第十六端口、第十七端口、第十八端口、第十九端口、第二十端口和第二十一端口通过多路选择器与PicoBlaze控制器的第五端口相连，帧检测单元通过以上端口向PicoBlaze控制器发送帧检测信息以及帧地址信息；ICAP端口的第十端口与PicoBlaze控制器的第七端口相连，第七端口为ICAP端口提供使能时钟信号；ICAP端口的第十三端口通过多路选择器与PicoBlaze控制器的第五端口相连，第十三端口将FPGA配置寄存器中的配置帧信息返回到PicoBlaze控制器；ICAP端口的第十一端口译码器与PicoBlaze控制器的第六端口通过数据选择器进行相连，用于将配置帧信息从PicoBlaze控制器写入到ICAP端口；ICAP端口的第十二端口与PicoBlaze控制器的第六端口直接相连，用于控制ICAP端口进行读写功能的选择；RAM的第一端口通过一个与门与PicoBlaze控制器的第八端口和第九端口相连，PicoBlaze控制器通过第八端口和第九端口向RAM发送读写使能信号；RAM的第二端口与PicoBlaze控制器的端口直接相连，第二端口用于接收PicoBlaze控制器发来的配置帧信息；RAM的第三端口通过译码器与PicoBlaze控制器的第六端口和第九端口相连，第三端口用于接收PicoBlaze控制器发来的读写RAM的地址信息；RAM的第四端口通过多路选择器与PicoBlaze控制器进行相连，用于将存储在RAM中的指令发送到PicoBlaze控制器中。

2.根据权利要求1所述的具有单粒子翻转故障注入功能的微型ICAP控制器，其特征在于：ICAP控制器功能包括：读配置寄存器、读配置帧、写配置帧、检测与校验使能、查询线性地址对应的物理地址、对物理地址进行锁定和单粒子故障注入；

读配置寄存器功能，该功能用于实时获取FPGA内部配置寄存器的状态信息，包括对IDCODE,CTL0,STAT,COR0,COR1,WBSTAT和BOOTSTS寄存器信息的读取；

读配置帧功能，该功能通过PicoBlaze控制器控制ICAP端口进行读操作实现，完成对FPGA内部执行物理地址中的配置信息读取，并将该信息写入到本地RAM中；

写配置帧功能，该功能向FPGA内部特定物理地址写入一帧配置信息，该帧信息存储在本地RAM中，在写入的过程中，帧地址寄存器中的物理地址自动加1，为下一帧的写入做准备，因为，在配置过程中，往往不是独立的一帧进行，而是对指定区域进行多帧写入的过程；

检测和校验使能功能，该功能用于控制在配置过程中，ICAP控制器是否对写入的配置帧进行校验，该功能在故障注入的过程中，与单粒子故障注入功能配合使用；

查询线性地址对应的物理地址，在FPGA内部，实际的帧物理地址不是连续，因而无法与线性地址进行直接匹配，该功能实现了物理地址与线性地址的映射；

对物理地址进行锁定，该指令用于指定ICAP端口下一次读写的物理地址，实现对特定的物理帧地址进行读写，该功能是单粒子故障注入的基础；

单粒子故障注入过程中，首先将指定位置的配置帧信息读取到本地RAM中，然后用户指定进行软故障注入的字的位置以及字的位数；用户根据选定故障注入的配置帧位置，然后根据配置帧的信息选择配置帧中的即将注入故障的字，每个字是由32位二进制数构成，因而需要选择注入字的位置，即选择32位中的其中一个，构成携带有故障信息的配置帧，最后通过调用帧写入命令，将携带有单粒子故障信息的帧写入到原位置，完成故障注入过程。

3.一种具有单粒子翻转故障注入功能的微型ICAP控制器的控制方法，其特征在于：

ICAP控制器在运行过程中，根据功能的不同，将ICAP控制器的运行过程分为独立的两个过程，分别为重配置过程和故障注入过程；

在重配置过程中，Picoblaze接收重构系统发来的指令并解析，接收重构系统发来的需要完成配置的帧数据并写入到本地RAM中，数据写入完成之后，向ICAP端口发送写入使能信号，并从本地RAM中读取一帧发送到该端口，完成一帧的配置，同时RAM的读地址加1，为下一帧信息的读取做准备，顺次完成完整配置信息的重配置，进而实现部分重构的功能；

在故障注入的过程中，首先Picoblaze控制器接收外部的故障注入指令，然后进行解析，得到故障注入的配置位置以及配置帧修改位置信息，控制ICAP端口将指定位置的配置信息读回到本地RAM中，之后Picoblaze对RAM特定帧的数据进行位翻转操作，执行完成之后，RAM中的配置信息已经发生改变；并且这一帧是不符合CRC校验规则的，因而需要将帧检测单元的CRC校验功能关闭；然后将修改之后的RAM中的配置信息配置到FPGA内部，Picoblaze向ICAP端口发送配置帧写使能信号，即完成对特定位置的单粒子翻转故障注入。