CN110007738B - 适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，本发明属于电子技术领域，包括在敏感电路的执行程序中设置异常复位标志，并在敏感电路外围接入具有若干不同地址存储空间的非易失铁电存储器和/或者磁存储器；在电路正常工作时，选取电路状态的关键参数存储到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中的两块不同地址的存储空间地址中，当敏感电路发生复位，再读取数据备份状态寄存器的值进行复位，是一种在任何条件下均可以准确读取备份数据，完成敏感电路异常复位后的状态重构，同时，在相同的备份数据量条件下，所需要的存储空间和消耗的计算资源大大降低的新型抗瞬时电离辐射的双地址异步备份和状态重构方法。

Description

适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法。

背景技术

瞬时电离辐射效应是核爆产生的脉冲X射线和γ射线在电子器件中产生的最为严重的辐射效应之一。“瞬时”表明辐射时间短以及响应快，核爆产生的X射线和γ射线的脉冲宽度为几十～几百纳秒（ns），作用到不同类型的电子器件上，其响应时间从纳秒（ns）～毫秒（ms）不等。“电离辐射”是指带电粒子或光子与物质相互作用损失能量并激发自由电子或电子空穴对的过程。X射线和γ射线为光子。光子与物质相互作用时发生的物理过程主要是光电效应、康普顿效应和电子对效应。在研究瞬时电离辐射效应物理机制过程中，剂量率是最重要的参数之一。剂量率的定义是：单位时间内，单位质量的给定材料从辐射场中吸收的能量，单位可以为Gy（Si）/s，Gy（SiO₂）/s，Gy（GaAs）/s等。

电子器件的瞬时电离辐射效应机理是：脉冲X射线和γ射线照射下，器件材料中由于能量沉积电离出非平衡载流子（电子-空穴对），PN结敏感区域内的非平衡载流子被收集形成光电流，光电流在短时间内作用于器件影响器件的电参数或者功能。Worth-Rogers数值模型给出了PN结瞬态光电流的数学解析表达式（1），可见光电流主要由PN结敏感区域（即耗尽区和耗尽区两侧一个扩散长度范围内）的光电流组成，其主要影响因素包括剂量率、PN结敏感区域体积、少子寿命、迁移率、电场强度和偏压等。

现代大规模集成电路中存在着大量PN结，所有PN结产生的光电流传播到电路，电路中任何一个节点参数均受到通过互联线连接的所有器件产生的光电流的影响。从而产生显著的瞬时电离辐射效应。例如已广泛应用到军事和空间设备上的各类微处理器、FPGA和DSP等都是瞬时电离辐射的敏感电路。尤其对于基于体硅CMOS工艺的集成电路，在中等剂量率(10⁵～10⁷Gy（Si）/s)条件下就会形成显著的浪涌电流，引起电平扰动、逻辑翻转、功能中断等效应；在较高剂量率(10⁷～10¹⁰Gy（Si）/s)条件下，电路内部固有的NPNP寄生结构（图1）被触发导通，形成电源到地之间近似短路的大电流状态，出现闭锁效应，功能失效且无法自动恢复；若闭锁效应一直持续，会造成电路破坏性永久损伤。对于SOI工艺集成电路，由于器件与衬底之间的全介质隔离，消除了闭锁效应，但是瞬态光电流一样会在电路中就会形成浪涌电流，引起电平扰动、逻辑翻转、功能中断等效应。

一旦瞬态电离辐射效应破坏了电路正常功能，必须通过断电重启复位或者其他复位方式恢复正常功能，但后果是将丢失之前的所有运算数据和状态信息，这对于应用于空间或军事领域的特殊装备，将发生重大功能错误而导致任务失败。

针对该问题，现有的技术方案是针对一款反熔丝FPGA提出的抗瞬时电离辐射三倍冗余设计方法，具体内涵是：当FPGA正常工作时，定时将关键数据保存到FPGA外接的非易失铁电存储器（FRAM）中的3组独立地址单元（如A、B和C），当FPGA复位后读取保存在FRAM中的3个数据进行比较判决，取两个一致的值为正解，作为FPGA重新运行的初始数据。

上述现有技术方案存在以下几个问题：

1、三倍冗余数据备份方法存在缺陷。三倍冗余方法的前提是任何条件下至少有两组数据是正确有效的。而通过对敏感电路、非易失铁电存储器/磁存储器的最新瞬态电离辐射效应研究表明，在某种条件下会出现三组数据均不相同的情况，这将导致三倍冗余方法失效。如：假设A、B和C为外部非易失存储器中3组独立的物理地址单元；备份数据时，已经对地址A写完数据，正在写地址B时遭遇了瞬态电离辐射，则地址B的数据被破坏；这时三个地址单元的数据均不相同，地址A的数据为当前最新备份数据，地址B的数据被破坏，而地址C的数据为前一周期的备份数据。

2、缺少状态重构关键参数的确定方法。

3、缺少误差修正的方法。

对于复杂功能电路，涉及的关键参数较多时，三倍冗余方法所需存储空间和计算资源巨大。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的问题，基于非易失存储器效应机理的研究，提供一种在任何条件下均可以准确读取备份数据，完成敏感电路异常复位后的状态重构，同时，在相同的备份数据量条件下，所需要的存储空间和消耗的计算资源大大降低的新型抗瞬时电离辐射的双地址异步备份和状态重构方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于：

在敏感电路外围接入具有若干不同地址且均带有数据备份状态寄存器的存储空间的非易失铁电存储器和/或者磁存储器，敏感电路与非易失存储器之间一般是通过时钟线、地址和/或数据线电连接；所述非易失铁电存储器和/或者磁存储器中设置有用于判断复位的状态的异常复位标志，在敏感电路正式启动之前，将异常复位标志置初始值；

启动敏感电路并完成一个完整的数据备份周期，然后将异常复位标志置为预定值；所述完整周期的数据备份为选取敏感电路正常工作状态的关键参数将关键参数对应的具体数值存储到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中的两块不同地址的存储空间地址A和地址B中；并且写完地址A后，将其数据备份状态寄存器置1或0；写完地址B后，将其数据备份状态寄存器置0或1；

当敏感电路发生复位，首先读取所述异常复位标志的值，若异常复位标志的值是初始值则判定不是异常复位并执行正常条件下的复位操作；若异常复位标志的值是预定值则判定是异常复位，此时读取数据备份状态寄存器的值，若数据备份状态寄存器的值与地址A相同，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为复位后敏感电路的电路状态和时间起始数据，若数据备份状态寄存器的值与地址B相同，则读取非易失存储器中地址B的数据作为复位后敏感电路的电路状态和时间起始数据。

所述与电路状态相关的关键参数包括敏感电路所有输出信号特征（如电平幅值、时间特征、频率）、关键输入信号特征（如电平幅值、时间特征、频率）、内部易失存储器（如RAM等）中的关键数据、功能状态、内部程序执行指针等参数；对于不同功能的电路，与电路状态相关的关键参数可能不同，确定关键参数的原则是：

1）所选参数能够表征电路当前的工作状态；

2）所选参数与时间或者其他条件（例如传感器数据等）为紧耦合关系；

3）当微处理器被复位时，这些参数的当前数据会丢失；

4）通过保存这些关键参数的当前数值，能够恢复电路功能并接续运行。

所述将关键参数是在一个完整的数据备份周期中通过异步分时的方式顺序写入并存储到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中的。一个完整的数据备份周期T由电路可接受的最大误差、指令执行速度、可利用的有效资源等因素综合决定；异步分时的方式是指两套地址写入数据有时间上的先后顺序，而不是并行写入，且两套地址的写入数据时间间隔应保证瞬态电离辐射效应最多只影响一套地址单元的数据。

时间间隔主要由敏感电路的瞬态电离辐射响应时间决定，可通过实验测试获得。地址A和地址B的写入数据时间主要由非易失存储器的写入数据速度和数据量确定；例如数据的写入顺序为先写地址A、再写地址B，并且写完地址A后，将其数据备份状态寄存器置1；写完地址B后，将其数据备份状态寄存器置0；即两套数据的写入应该有一定的时间间隔，以保证当一套数据正在写入时，不会因为瞬态电离辐射影响另外一套地址的数据；其原因在于：较高剂量率的ns级脉冲射线同时作用到微处理器和FRAM/MRAM上时，微处理器本身的辐射响应导致其产生软复位或者硬复位，使得微处理器正在执行的操作中断，最坏情况下，假设微处理器正在向FRAM/MRAM写入需要备份的关键数据，由于写数据操作中断，导致当前地址单元的数据被破坏，而使得该地址单元的备份数据不可信。但是由于FRAM/MRAM其独特的存储机制，其他地址空间的数据仍然保持完好，可以作为微处理器异常复位后的状态重构的依据。

所述异常复位标志用于判定电路的复位方式，决定电路复位引入的时间误差，由于硬复位是微处理器reset复位端电平有效产生的，因此采用reset复位信号作为硬复位标志，软复位有多种方式可实现，通常在微处理器内部设置看门狗；

所述地址A和地址B的数据备份状态寄存器中的值构成数据备份状态标志，即数据备份状态标志根据地址A和地址B的写入状态可体现多种不同状态，每一种状态采用不同的数值表示。数据备份状态标志设置的越多，可分辨和处理的时间误差越小，状态重构精度越高，但是同时也将消耗更多的计算资源，需要与电路实际的技术指标进行协调平衡。

将地址A和地址B的数据备份状态寄存器置为0或1的具体方法是：

微处理器在执行正常程序过程中，定时将关键数据备份写入到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中，设数据备份周期为T，写数据的顺序为先写地址A再写地址B，则存在以下四种状态：

状态①，开始写地址A的数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为01；

状态②，已写完地址A的数据，还未开始写地址B数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为11；即未完成一次完整的数据备份；

状态③，已写完地址A的数据，开始写地址B的数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为10；

状态④，地址A和地址B的数据均写完，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为00；即两次完整的数据备份（写完地址A数据和写完地址B数据视为一次完整的数据备份）的间隔期；

针对以上四种状态，在非易失铁电存储器和/或者磁存储器中采用一个单独的地址用于存储数据备份状态寄存器的值，依据该标志的值，决定微处理器异常复位后应读取哪个地址单元的数据作为状态重构的依据。

例如，可以如下设置“备份数据状态标志”：

状态	①	②	③	④
					备份数据状态标志	01	11	10	00

当敏感电路发生异常复位，若“备份数据状态标志”为01，表示瞬态电离辐射发生在状态①，则地址A的数据被破坏；微处理器复位后应读取地址B的数据作为程序运行的起始数据，此时地址B中是上一个周期的备份数据；

若“备份数据状态标志”为11，表示瞬态电离辐射发生在状态②，地址A和地址B的数据相差的一个周期，即地址A是最新的备份数据，而地址B是上一个周期的备份数据，因此，微处理器复位后应选择地址A的数据作为程序运行的起始数据；

若“备份数据状态标志”为10，表示瞬态电离辐射发生在状态③，则地址B的数据被破坏，而地址A的数据完整且正确且是最新的备份数据，微处理器复位后应选择地址A的数据作为程序运行的起始数据；

若“备份数据状态标志”为00，表示瞬态电离辐射发生在状态④，地址A和地址B的数据均完整，微处理器复位后可以任意选择地址A或B的数据作为起始数据。

当敏感电路发生复位，若是异常复位则读取数据备份状态寄存器的值，还包括误差修正过程，所述误差的确认方法为：

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为01，读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址B的数据作为起始数据，此时地址B为上一个备份周期的数据，所引入的时间误差包括复位时间t_R、备份周期T、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2；总共的误差为T+t_R+t1+t2；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为11，此时地址A数据已更新而地址B的数据为上一个备份周期的数据，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为起始数据，采用地址A的数据所引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1；总共的误差为t_R+t1；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为10，此时地址B的数据被破坏，而地址A的数据完整且正确且是最新的备份数据，读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为起始数据，采用地址A的数据，所引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2；总共的误差为t_R+t1+t2；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为00，此时地址A和地址B的数据均完整，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A或者地址B的数据作为起始数据，此时引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2、地址B的写数据时间t1，总共的引入的时间误差为（t_R+t1+t2）+t1；

所述复位时间t_R是根据实际技术指标调整确定的。

所述非易失铁电存储器为FRAM和/或MRAM。

所述地址A和地址B均为独立地址单元。

本发明所提供的这种适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，针对非易失存储器开展了深入的详细的瞬态电离辐射效应试验研究应用，在静态加偏置状态、读数据状态和写数据状态下，存储器内部的数据均不受瞬态电离辐射影响，即不会产生数据翻转，同时，当对以上存储器的某个地址单元进行读写操作时，不会影响其他地址单元的数据，只有当做感电路受到瞬态辐射引起异常复位时，会导致写数据失败，但是并不会改变该地址单元之前的数据。

在微处理器外部接入非易失存储器，可选择FRAM，也可以选择MRAM；首先根据实际电路功能确定与电路状态关联的关键参数，在微处理器执行正常控制程序的同时，定时将同一份需要备份的关键数据异步保存在非易失存储器中的2个独立地址单元（A和B）；数据备份周期需要依据电路可容忍的最大时间误差决定；通过在非易失存储器中设置“备份数据状态标志”，便于电路复位判定读取哪个地址单元的数据作为重新执行程序的数据起点；通过设置“异常复位标志”，判定电路复位方式所引入的时间误差；在不同的复位方式和数据状态条件下给出了具体的时间误差修正方法。采用以上方案，微处理器在任何条件下均可以获取最准确的数据进行状态恢复，显著提高微处理器电路在遭遇瞬态电离辐射后状态恢复的可靠性，同时，在相同的备份数据量条件下，所需要的存储空间和消耗的计算资源大大降低。

这种方法提高了数据备份和恢复的正确率，简化了复杂度，无论写哪个地址单元时遭遇瞬态电离辐射，总有另外一个地址单元的数据可用。该方法在提高数据准确性的同时，简化了复杂度。

关键数据存储/备份所需要的地址空间减小1/3。因为MRAM在瞬态电离辐射环境下的数据不会被改变，最坏情况下也只会发生写入失败。假设，当正在对MRAM的地址单元A写备份数据时，遭遇瞬时电离辐射，则A单元数据未写完，A单元数据被破坏，但是地址单元B的数据仍然完整，反之亦然。因此，只需要进行关键数据的双地址备份即可。

所消耗计算资源大大减少。关键数据的备份量减少，而且无需进行取二的比较、判据，大大减少了消耗的计算资源。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为本发明背景技术中体硅CMOS电路闭锁路径示意图；

图2为本发明敏感电路外围接入非易失铁电存储器和/或者非易失磁存储器的示意图；

图3为本发明状态重构方法的逻辑示意图；

图4为本发明状态重构方法的数据备份流程示意图；

图5为本发明状态重构方法流程示意图；

图6为本发明误差的确认示意图。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

作为本发明的一种最基本的实施方案，本实施例公开了一种适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，如图2，在敏感电路外围接入非易失铁电存储器和/或者磁存储器，优选地如非易失铁电存储器FRAM或者MRAM；

为了保证敏感电路在受到瞬时电离辐照发生异常复位后能够尽快恢复到之前的运行状态，首先需要确定与电路状态相关的关键参数；

如图3，电路正常工作时，根据实际需求定时将以上关键数据存储到FRAM或者MRAM中的两块不同的地址空间地址A和地址B；写数据的顺序为：先写地址A，再写地址B：写完地址A后，将数据备份状态寄存器置为1：写完地址B后，将数据备份状态寄存器置0

在敏感电路的执行程序中设置异常复位标志；当敏感电路发生复位，首先读取异常复位标志，若不是异常复位，执行正常条件下的复位操作；若是异常复位，再读取数据备份状态寄存器的值，若为1，则读取FRAM中地址A的数据：若为0，则读取非易失存储器中地址B的数据。

以读取的非易失存储器中的数据作为敏感电路异常复位后开始工作的起点，执行正常条件下的程序。

实施例2

适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于：

如图2，在敏感电路外围接入具有若干不同地址且均带有数据备份状态寄存器的存储空间的非易失铁电存储器和/或者磁存储器，敏感电路与非易失存储器之间一般是通过时钟线、地址和/或数据线电连接；所述非易失铁电存储器和/或者磁存储器中设置有用于判断复位的状态的异常复位标志，在敏感电路正式启动之前，将异常复位标志置初始值；

如图4，启动敏感电路并完成一个完整的数据备份周期，然后将异常复位标志置为预定值；所述完整周期的数据备份为选取敏感电路正常工作状态的关键参数将关键参数对应的具体数值存储到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中的两块不同地址的存储空间地址A和地址B中；并且写完地址A后，将其数据备份状态寄存器置1或0；写完地址B后，将其数据备份状态寄存器置0或1；

如图5，当敏感电路发生复位，首先读取所述异常复位标志的值，若异常复位标志的值是初始值则判定不是异常复位并执行正常条件下的复位操作；若异常复位标志的值是预定值则判定是异常复位，此时读取数据备份状态寄存器的值，若数据备份状态寄存器的值与地址A相同，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为复位后敏感电路的电路状态和时间起始数据，若数据备份状态寄存器的值与地址B相同，则读取非易失存储器中地址B的数据作为复位后敏感电路的电路状态和时间起始数据。

所述与电路状态相关的关键参数包括敏感电路所有输出信号特征（如电平幅值、时间特征、频率）、关键输入信号特征（如电平幅值、时间特征、频率）、内部易失存储器（如RAM等）中的关键数据、功能状态、内部程序执行指针等参数；对于不同功能的电路，与电路状态相关的关键参数可能不同，确定关键参数的原则是：

5）所选参数能够表征电路当前的工作状态；

6）所选参数与时间或者其他条件（例如传感器数据等）为紧耦合关系；

7）当微处理器被复位时，这些参数的当前数据会丢失；

8）通过保存这些关键参数的当前数值，能够恢复电路功能并接续运行。

所述将关键参数是在一个完整的数据备份周期中通过异步分时的方式顺序写入并存储到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中的。一个完整的数据备份周期T由电路可接受的最大误差、指令执行速度、可利用的有效资源等因素综合决定；异步分时的方式是指两套地址写入数据有时间上的先后顺序，而不是并行写入，且两套地址的写入数据时间间隔应保证瞬态电离辐射效应最多只影响一套地址单元的数据。

时间间隔主要由敏感电路的瞬态电离辐射响应时间决定，可通过实验测试获得。地址A和地址B的写入数据时间主要由非易失存储器的写入数据速度和数据量确定；例如数据的写入顺序为先写地址A、再写地址B，并且写完地址A后，将其数据备份状态寄存器置1；写完地址B后，将其数据备份状态寄存器置0；即两套数据的写入应该有一定的时间间隔，以保证当一套数据正在写入时，不会因为瞬态电离辐射影响另外一套地址的数据；其原因在于：较高剂量率的ns级脉冲射线同时作用到微处理器和FRAM/MRAM上时，微处理器本身的辐射响应导致其产生软复位或者硬复位，使得微处理器正在执行的操作中断，最坏情况下，假设微处理器正在向FRAM/MRAM写入需要备份的关键数据，由于写数据操作中断，导致当前地址单元的数据被破坏，而使得该地址单元的备份数据不可信。但是由于FRAM/MRAM其独特的存储机制，其他地址空间的数据仍然保持完好，可以作为微处理器异常复位后的状态重构的依据。

所述异常复位标志用于判定电路的复位方式，决定电路复位引入的时间误差，由于硬复位是微处理器reset复位端电平有效产生的，因此采用reset复位信号作为硬复位标志，软复位有多种方式可实现，通常在微处理器内部设置看门狗；

所述地址A和地址B的数据备份状态寄存器中的值构成数据备份状态标志，即数据备份状态标志根据地址A和地址B的写入状态可体现多种不同状态，每一种状态采用不同的数值表示。数据备份状态标志设置的越多，可分辨和处理的时间误差越小，状态重构精度越高，但是同时也将消耗更多的计算资源，需要与电路实际的技术指标进行协调平衡。

将地址A和地址B的数据备份状态寄存器置为0或1的具体方法是：

微处理器在执行正常程序过程中，定时将关键数据备份写入到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中，设数据备份周期为T，写数据的顺序为先写地址A再写地址B，则存在以下四种状态：

状态①，开始写地址A的数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为01；

状态②，已写完地址A的数据，还未开始写地址B数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为11；即未完成一次完整的数据备份；

状态③，已写完地址A的数据，开始写地址B的数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为10；

状态④，地址A和地址B的数据均写完，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为00；即两次完整的数据备份（写完地址A数据和写完地址B数据视为一次完整的数据备份）的间隔期；

针对以上四种状态，在非易失铁电存储器和/或者磁存储器中采用一个单独的地址用于存储数据备份状态寄存器的值，依据该标志的值，决定微处理器异常复位后应读取哪个地址单元的数据作为状态重构的依据。

例如，可以如下设置“备份数据状态标志”：

状态	⑤	⑥	⑦	⑧
					备份数据状态标志	01	11	10	00

当敏感电路发生异常复位，若“备份数据状态标志”为01，表示瞬态电离辐射发生在状态①，则地址A的数据被破坏；微处理器复位后应读取地址B的数据作为程序运行的起始数据，此时地址B中是上一个周期的备份数据；

若“备份数据状态标志”为11，表示瞬态电离辐射发生在状态②，地址A和地址B的数据相差的一个周期，即地址A是最新的备份数据，而地址B是上一个周期的备份数据，因此，微处理器复位后应选择地址A的数据作为程序运行的起始数据；

若“备份数据状态标志”为10，表示瞬态电离辐射发生在状态③，则地址B的数据被破坏，而地址A的数据完整且正确且是最新的备份数据，微处理器复位后应选择地址A的数据作为程序运行的起始数据；

若“备份数据状态标志”为00，表示瞬态电离辐射发生在状态④，地址A和地址B的数据均完整，微处理器复位后可以任意选择地址A或B的数据作为起始数据。

当敏感电路发生复位，若是异常复位则读取数据备份状态寄存器的值，还包括误差修正过程，所述误差的确认方法为：

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为01，读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址B的数据作为起始数据，此时地址B为上一个备份周期的数据，如图6，所引入的时间误差包括复位时间t_R、备份周期T、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2；总共的误差为T+t_R+t1+t2；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为11，此时地址A数据已更新而地址B的数据为上一个备份周期的数据，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为起始数据，如图6，采用地址A的数据所引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1；总共的误差为t_R+t1；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为10，此时地址B的数据被破坏，而地址A的数据完整且正确且是最新的备份数据，读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为起始数据，如图6，采用地址A的数据，所引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2；总共的误差为t_R+t1+t2；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为00，此时地址A和地址B的数据均完整，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A或者地址B的数据作为起始数据，如图6，此时引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2、地址B的写数据时间t1，总共的引入的时间误差为（t_R+t1+t2）+t1；

所述复位时间t_R是根据实际技术指标调整确定的。

所述非易失铁电存储器为FRAM和/或MRAM。

所述地址A和地址B均为独立地址单元。

本发明所提供的这种适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，针对非易失存储器开展了深入的详细的瞬态电离辐射效应试验研究应用，在静态加偏置状态、读数据状态和写数据状态下，存储器内部的数据均不受瞬态电离辐射影响，即不会产生数据翻转，同时，当对以上存储器的某个地址单元进行读写操作时，不会影响其他地址单元的数据，只有当做感电路受到瞬态辐射引起异常复位时，会导致写数据失败，但是并不会改变该地址单元之前的数据。

在微处理器外部接入非易失存储器，可选择FRAM，也可以选择MRAM；首先根据实际电路功能确定与电路状态关联的关键参数，在微处理器执行正常控制程序的同时，定时将同一份需要备份的关键数据异步保存在非易失存储器中的2个独立地址单元（A和B）；数据备份周期需要依据电路可容忍的最大时间误差决定；通过在非易失存储器中设置“备份数据状态标志”，便于电路复位判定读取哪个地址单元的数据作为重新执行程序的数据起点；通过设置“异常复位标志”，判定电路复位方式所引入的时间误差；在不同的复位方式和数据状态条件下给出了具体的时间误差修正方法。采用以上方案，微处理器在任何条件下均可以获取最准确的数据进行状态恢复，显著提高微处理器电路在遭遇瞬态电离辐射后状态恢复的可靠性，同时，在相同的备份数据量条件下，所需要的存储空间和消耗的计算资源大大降低。

这种方法提高了数据备份和恢复的正确率，简化了复杂度，无论写哪个地址单元时遭遇瞬态电离辐射，总有另外一个地址单元的数据可用。该方法在提高数据准确性的同时，简化了复杂度。

关键数据存储/备份所需要的地址空间减小1/3。因为MRAM在瞬态电离辐射环境下的数据不会被改变，最坏情况下也只会发生写入失败。假设，当正在对MRAM的地址单元A写备份数据时，遭遇瞬时电离辐射，则A单元数据未写完，A单元数据被破坏，但是地址单元B的数据仍然完整，反之亦然。因此，只需要进行关键数据的双地址备份即可。

所消耗计算资源大大减少。关键数据的备份量减少，而且无需进行取二的比较、判据，大大减少了消耗的计算资源。

实施例3

作为本发明的一种优选地实施方案，本实施例公开了一种适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法：

如图2，在微处理器外围接入具有较好的抗瞬态电离辐射性能的非易失铁电存储器或者磁存储器。由于微处理器内部RAM、缓存等存储器为易失存储器，掉电或者电源受到干扰均会导致数据丢失或者错误，这类存储器对瞬态辐射也较为敏感，在瞬态电离辐射环境下，常常出现大面积的数据翻转，从而导致功能错误或者功能中断等辐射效应。因此，这类片内或者片外的易失类存储器不能作为保存重要和关键数据的介质；另外微处理器内部通常作为程序存储的非易失类FLASH存储器，其数据读写速度较慢，且读写模式不适用于快速保存数据。本案通过研究发现，铁电存储器FRAM和磁存储器MRAM的读写次数、读写速度和抗瞬态电离辐射水平均远远高于其他类型的非易失存储器（例如FLASH和EEPROM）；对于本案提出的状态重构方法，一方面需要反复多次对存储器进行数据操作，这对存储器的读写次数有较高要求，FLASH和EEPROM的读写次数约为104～106次，如果按照每1s进行一次数据读写，则该电路只能工作3h～300h，而MRAM具有无限的读写次数，FRAM的读写次数也大于1010；第二方面，本案提出的方法对存储器读写时间要求较高，因为核爆脉冲射线的时间宽度约为几十ns，在数据量和备份周期一定的前提下，微处理器与存储器的读写时间越快，在读写数据期间遭受辐射影响的几率越小，如图4所示；另外，读写时间越快，可以在允许的条件下尽量减小备份周期以降低最大误差；MRAM和FRAM的读写时间最快可达到每个字节几个ns～几十ns，而FLASH和EEPROM在写数据时由于存在一个等待时间，其写数据时间通常约为ms量级；第三方面，本案提出的方法要求对存储器能够分区域操作，即对一个地址写数据的时候，其他地址空间的数据不受影响，而FLASH存储器在每次写数据之前会擦除全部地址空间。第四方面，EEPROM和FLASH存储器，由于其典型的体硅CMOS工艺，在较高剂量率的瞬态电离辐照下，瞬态光电流最大幅值是FRAM/MRAM的5～8倍，对瞬态辐射更敏感。

如图4，选取与电路状态相关的关键参数，至少包括微处理器输出信号状态（电平高低、时间特征）、功能状态（时间、内部程序执行指针）等等；

对于不同功能的电路，与电路状态相关的关键参数可能不同，确定关键参数的原则是：

1）所选参数能够表征电路当前的工作状态；

2）所选参数与时间或者其他条件（例如传感器数据等）为紧耦合关系；

3）当微处理器被复位时，这些参数的当前数据会丢失；

4）通过保存这些关键参数的当前数值，能够恢复电路功能并接续运行。

如某种装备的控制电路功能如图5所示为：从0时刻开始计时，当达到300s时，输出一个10s的高电平控制信号S1后，再计时，到达2000s时输出一个20s的高电平信号S2后结束任务。该电路中与电路状态相关的关键参数为：时间t、控制信号S1、控制信号S2和功能状态。

其中功能状态包括5个状态，状态1：时间小于300s；状态2：时间大于300s，S1信号为高电平；状态3：时间小于2000s，S1信号为低电平；状态4：时间大于2000s，信号S2为高电平；状态5：已结束任务。

将需要备份的关键数据存储到FRAM或者MRAM中的两块不同物理地址中（假定分别为地址A和地址B），且两块地址单元的数据写入方式应该为顺序写入而不是并行同时写入，即两套数据的写入应该有一定的时间间隔，以保证当一套数据正在写入时，不会因为瞬态电离辐射影响另外一套地址的数据。其原因在于，较高剂量率的ns级脉冲射线同时作用到微处理器和FRAM/MRAM上时，微处理器本身的辐射响应导致其产生软复位或者硬复位，使得微处理器正在执行的操作中断，最坏情况下，假设微处理器正在向FRAM/MRAM写入需要备份的关键数据，由于写数据操作中断，导致当前地址单元的数据被破坏，而使得该地址单元的备份数据不可信。但是由于FRAM/MRAM其独特的存储机制，其他地址空间的数据仍然保持完好，可以作为微处理器异常复位后的状态重构的依据。

异常复位标志用于判定电路的复位方式，决定电路复位引入的时间误差。由于硬复位是微处理器reset复位端电平有效产生的，因此采用reset复位信号作为硬复位标志，当该标志有效，设置复位误差时间为预定的硬复位时间；软复位有多种方式可实现，通常在微处理器内部设置看门狗，当该信号有效，设置复位误差时间为预定的软复位时间。

将微处理器在执行正常程序过程中，定时将关键数据备份写入到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中，设数据备份周期为T，写数据的顺序为先写地址A再写地址B，则存在以下四种状态：

状态①，开始写地址A的数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为01；

状态②，已写完地址A的数据，还未开始写地址B数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为11；即未完成一次完整的数据备份；

状态③，已写完地址A的数据，开始写地址B的数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为10；

状态④，地址A和地址B的数据均写完，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为00；即两次完整的数据备份（写完地址A数据和写完地址B数据视为一次完整的数据备份）的间隔期；

针对以上四种状态，在非易失铁电存储器和/或者磁存储器中采用一个单独的地址用于存储数据备份状态寄存器的值，依据该标志的值，决定微处理器异常复位后应读取哪个地址单元的数据作为状态重构的依据。

例如，可以如下设置“备份数据状态标志”：

状态	①	②	③	④
					备份数据状态标志	01	11	10	00

当敏感电路发生异常复位，若“备份数据状态标志”为01，表示瞬态电离辐射发生在状态①，则地址A的数据被破坏；微处理器复位后应读取地址B的数据作为程序运行的起始数据，此时地址B中是上一个周期的备份数据；

若“备份数据状态标志”为11，表示瞬态电离辐射发生在状态②，地址A和地址B的数据相差的一个周期，即地址A是最新的备份数据，而地址B是上一个周期的备份数据，因此，微处理器复位后应选择地址A的数据作为程序运行的起始数据；

若“备份数据状态标志”为10，表示瞬态电离辐射发生在状态③，则地址B的数据被破坏，而地址A的数据完整且正确且是最新的备份数据，微处理器复位后应选择地址A的数据作为程序运行的起始数据；

若“备份数据状态标志”为00，表示瞬态电离辐射发生在状态④，地址A和地址B的数据均完整，微处理器复位后可以任意选择地址A或B的数据作为起始数据。

当敏感电路发生复位，若是异常复位则读取数据备份状态寄存器的值，还包括误差修正过程，所述误差的确认方法为：

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为01，读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址B的数据作为起始数据，此时地址B为上一个备份周期的数据，所引入的时间误差包括复位时间t_R、备份周期T、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2；总共的误差为T+t_R+t1+t2；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为11，此时地址A数据已更新而地址B的数据为上一个备份周期的数据，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为起始数据，采用地址A的数据所引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1；总共的误差为t_R+t1；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为10，此时地址B的数据被破坏，而地址A的数据完整且正确且是最新的备份数据，读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为起始数据，采用地址A的数据，所引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2；总共的误差为t_R+t1+t2；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为00，此时地址A和地址B的数据均完整，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A或者地址B的数据作为起始数据，此时引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2、地址B的写数据时间t1，总共的引入的时间误差为（t_R+t1+t2）+t1。

通过分析实际系统最大容忍的时间误差为1s，通过在ARM-cortex系列的MCULM3s9B81内部写入代码实现以上功能，该电路软件复位的时间通过测试为10ms，硬复位时间通过测试为270ms，因此数据备份周期应小于（1000-270）=730ms，最终设定了时间的数据备份时间为500ms。MCU与FRAM进行数据读写的时间为3.2μs/字节，写完一个地址A或者地址单元B所需要的时间为16μs，写两个地址单元的时间间隔为10ms。

Claims (9)

1.适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于：

在敏感电路外围接入具有若干不同地址且均带有数据备份状态寄存器的存储空间的非易失铁电存储器和/或者磁存储器；所述非易失铁电存储器和/或者磁存储器中设置有用于判断复位的状态的异常复位标志，在敏感电路正式启动之前，将异常复位标志置初始值；

启动敏感电路并完成一个完整的数据备份周期，然后将异常复位标志置为预定值；所述完整周期的数据备份为选取敏感电路正常工作状态的关键参数，将关键参数对应的具体数值存储到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中的两块不同地址的存储空间地址A和地址B中；并且写完地址A后，将其数据备份状态寄存器置1或0；写完地址B后，将其数据备份状态寄存器置0或1；

当敏感电路发生复位，首先读取所述异常复位标志的值，若异常复位标志的值是初始值则判定不是异常复位并执行正常条件下的复位操作；若异常复位标志的值是预定值则判定是异常复位，此时读取数据备份状态寄存器的值，若数据备份状态寄存器的值与地址A相同，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为复位后敏感电路的电路状态和时间起始数据，若数据备份状态寄存器的值与地址B相同，则读取非易失存储器中地址B的数据作为复位后敏感电路的电路状态和时间起始数据。

2.如权利要求1所述的适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于：所述关键参数包括敏感电路所有输出信号特征、关键输入信号特征、内部易失存储器中的关键数据、功能状态以及内部程序执行指针参数。

3.如权利要求1所述的适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于：所述将关键参数是在一个完整的数据备份周期中通过异步分时的方式顺序写入并存储到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中的。

4.如权利要求1或3所述的适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于，将地址A和地址B的数据备份状态寄存器置为0或1的具体方法是：

敏感电路的微处理器在执行正常程序过程中，定时将关键数据备份写入到非易失铁电存储器和/或者磁存储器中，写数据的顺序为先写地址A再写地址B，则存在以下四种状态，

状态①，开始写地址A的数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为01；

状态②，已写完地址A的数据，还未开始写地址B数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为11；即未完成一次完整的数据备份；

状态③，已写完地址A的数据，开始写地址B的数据，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为10；

状态④，地址A和地址B的数据均写完，此时地址A和地址B的数据备份状态寄存器的值为00。

5.如权利要求4所述的适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于：所述四种状态，在非易失铁电存储器和/或者磁存储器中分别采用单独的地址用于存储数据备份状态寄存器的值。

6.如权利要求4所述的适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于，当异常复位标志的值是预定值则判定是异常复位：

若“备份数据状态标志”为01，表示瞬态电离辐射发生在状态①，则地址A的数据被破坏；微处理器复位后应读取地址B的数据作为程序运行的起始数据，此时地址B中是上一个周期的备份数据；

若“备份数据状态标志”为11，表示瞬态电离辐射发生在状态②，地址A和地址B的数据相差的一个周期，即地址A是最新的备份数据，而地址B是上一个周期的备份数据，微处理器复位后选择地址A的数据作为程序运行的起始数据；

若“备份数据状态标志”为10，表示瞬态电离辐射发生在状态③，则地址B的数据被破坏，而地址A的数据完整且正确且是最新的备份数据，微处理器复位后应选择地址A作为程序运行的起始数据；

若“备份数据状态标志”为00，表示瞬态电离辐射发生在状态④，地址A和地址B的数据均完整，微处理器复位后可以任意选择地址A或B的数据作为起始数据。

7.如权利要求4所述的适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于，当敏感电路发生异常复位，还包括误差修正过程，所述误差的确认方法为：

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为01，读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址B的数据作为起始数据，此时地址B为上一个备份周期的数据，所引入的时间误差包括复位时间t_R、备份周期T、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2；总共的误差为T+ t_R +t1+t2；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为11，此时地址A数据已更新而地址B的数据为上一个备份周期的数据，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为起始数据，采用地址A的数据所引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1；总共的误差为t_R+t1；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为10，此时地址B的数据被破坏，而地址A的数据完整且正确且是最新的备份数据，读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A的数据作为起始数据，采用地址A的数据，所引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2；总共的误差为t_R +t1+t2；

若地址A和地址B数据备份状态寄存器的值为00，此时地址A和地址B的数据均完整，则读取非易失铁电存储器和/或者磁存储器中地址A或者地址B的数据作为起始数据，此时引入的时间误差包括复位时间t_R、地址A的写数据时间t1、地址A和B写数据之间的间隔t2、地址B的写数据时间t1，总共的引入的时间误差为（t_R+t1+t2）+t1。

8.如权利要求1所述的适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于：所述非易失铁电存储器为FRAM和/或MRAM。

9.如权利要求1所述的适用于敏感电路的抗瞬时电离辐射复位后运行状态重构方法，其特征在于：所述地址A和地址B均为独立地址单元。

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