CN111027279A

CN111027279A - 一种针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法

Info

Publication number: CN111027279A
Application number: CN201911285081.3A
Authority: CN
Inventors: 刘毅; 柳鑫炜; 杨帆; 张文静; 杨银堂
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-04-17

Abstract

本发明公开了一种针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法。该仿真方法包括以下步骤：步骤一：搭建目标系统，并划分功能模块；步骤二：建立对应模块各层次的模型，包括RTL模型、行为级模型和SPICE管级模型；步骤三：组建包含不同层级模块的电路系统；步骤四：准备电路的仿真激励文件；步骤五：对电路系统进行混合仿真，同时指定的SPICE管级模块进行单粒子故障注入步骤六：完成仿真，根据仿真结果进行数据的比对和整理。本发明减少了SPICE级电路模块的规模，电路系统的仿真速度得到有效提高；同时能够实现任意时刻、对随机的电路节点注入故障电流源，且故障电流源的峰值与脉宽在一定范围内随机，并自动分析仿真结果。

Description

一种针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法

技术领域

本发明属于单粒子效应研究领域，涉及一种用于大规模电路系统的单粒子效应仿真方法，尤其适用于相关研究人员对十万门级以上的大规模电路系统进行单粒子效应仿真分析。

背景技术

随着航天事业和核能技术的进一步发展，无论是国防现代化还是国民经济建设都迫切需要同时具有高可靠性和高性能的电子元器件。单粒子效应(SEE)是指宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区，使器件逻辑状态发生翻转的一种辐射效应。这将导致系统功能紊乱，严重时会发生灾难性事故。随着工艺技术的提高、晶体管尺寸的减小，单粒子效应成为影响与单粒子效应相关的可靠性问题的重要因素，也成为总的软错误率的主导因素之一。

在单粒子实验中，粒子注入的具体位置是无法确定，无法定位是那些粒子导致了电路出现错误；而且国内能进行单粒子效应的实验场所非常有限，且成本高昂。相对于实验，仿真分析能够准确定位导致电路发生错误的高能粒子，同时具有速度快、成本低等优点。

目前对单粒子效应仿真的研究主要还停留在器件级和电路级。器件级单粒子效应仿真主要研究单粒子在器件中的作用机理，电路级的单粒子效应仿真仅是针对小规模电路如逻辑门的SPICE网表电路，无法满足对大规模集成电路系统单粒子效应进行仿真的需求。

例如：

中国专利文献CN103577643A公开了一种SRAM型FPGA单粒子翻转效应仿真方法。该方法采用选取器件级TCAD仿真方法和器件级TCAD和电路级Spice混合仿真方法，仿真速度受限且电路规模很小。

中国专利文献CN106997402A公开了一种单粒子效应多位翻转的电路仿真方法，其方案主要是对电路中的两个节点注入瞬态脉冲模型。

目前，尚未见能够针对大规模电路系统混合模型进行组建，通过混合仿真实现单粒子故障注入和系统仿真分析的方法。

发明内容

本发明的目的是满足对大规模集成电路系统单粒子效应进行仿真的需求。

为此，本发明针对大规模电路系统混合模型进行组建，通过混合仿真实现单粒子故障注入和系统仿真分析，能够支持十万门级以上的大规模电路系统进行单粒子效应注入仿真分析。

该针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法包括：

步骤一：搭建目标电路系统；根据单粒子故障注入和系统仿真需求，将目标电路系统划分成多种功能模块；

步骤二：建立对应于所述功能模块各层次的模型，包括寄存器传输级(RTL)模型、行为级模型和SPICE管级模型；

步骤三：将目标电路系统中指定单粒子故障注入的功能模块用SPICE管级模型描述，其余模块均用RTL模型或行为级模型描述，构建两个层次模型间的接口将各功能模块连接，完成整个目标电路系统的混合模型的构建；

步骤四：准备目标电路系统的仿真激励文件；

步骤五：基于所述目标电路系统的混合模型，执行所述仿真激励文件对指定的SPICE管级模块进行单粒子故障注入，运行混合仿真；

步骤六：完成仿真，根据仿真结果进行数据的比对和整理，得到单粒子注入指定功能模块对目标电路系统的影响。

可选地，所述目标电路系统划分为处理器、Flash和SRAM；其中处理器包括整数处理单元、缓存、AHB总线控制器和存储器控制器。

可选地，对于单粒子注入所述整数处理单元的系统仿真需求，所述整数处理单元采用SPICE管级模型，而处理器的其他单元以及所述Flash和SRAM，均采用Verilog/VHDL的行为级模型；组建的电路系统中，SPICE管级模型之间用SPICE语法例化连接，行为级模型之间直接例化；SPICE管级模型与行为级模型的连接按照混合仿真工具的语法，创建对应模拟信号到数字信号的接口。

可选地，所述仿真激励文件是存储在Flash和SRAM中的程序，系统上电之后运行保存在Flash中的初始化程序，然后地址跳转并执行存储于SRAM中的程序。

可选地，所述混合仿真是调用VCS-MX与Finesim对RTL或行为级模型、SPICE管级模型进行数模混合仿真。

可选地，步骤六中，对于RTL模型以及行为级模型，通过加入数据记录模块，记录仿真过程中需要监测的信号的值；对于SPICE管级模型，通过加入电压测量语句，记录仿真过程中整数处理单元中各敏感节点的电压值。

本发明具有以下技术效果：

本发明提出的仿真方法能够支持十万门级的大规模电路系统进行仿真分析，通过混合仿真，减少了SPICE级电路模块的规模，电路系统的仿真速度得到有效提高；同时能够实现任意时刻、对随机的电路节点注入故障电流源，且故障电流源的峰值与脉宽在一定范围内随机，并自动分析仿真结果以替代单粒子效应实验。

本发明可以根据需求，构建混合仿真电路系统，对指定模块进行单粒子的故障注入，从而研究该模块的单粒子效应对整个系统的影响。相较于单粒子实验，该方法成本较为低廉，仿真速度较快，对研究系统的单粒子效应仿真有重要意义。

附图说明

图1为电路系统模块组成示意图；

图2为RTL模型转换至SPICE管级模型流程示意图；

图3为搭建包含不同层级模型的电路系统示意图；

图4为系统级单粒子效应混合仿真流程。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的一种针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法作进一步详述。

步骤一：搭建目标系统，并划分功能模块。这一步是先准备待仿真的电路系统(RTL级)，然后根据注入需求，将电路系统划分成各种功能模块。以一个星载计算机最小系统为例，如图1所示，该电路系统包含处理器、Flash和SRAM。其中处理器是基于SPARCV8指令集架构的LEON2处理器，内部大致由整数处理单元(IU，Integer Unit)、缓存(Cache)、AHB总线控制器(AHBController)、存储器控制器(MemoryController)等模块组成，Flash容量为512×32bit，SRAM容量为1024×32bit。

步骤二：依据步骤一划分的方案，建立对应模块各层次的模型，包括RTL或行为级模型和SPICE管级模型。不同模块所用的方法不固定，例如对于LEON2处理器及其内部模块，可以采用图2所示方法，将其综合后得到门级电路，进一步用v2lvs转换成SPICE管级模型。而对于存储器如Flash和SRAM，则需使用工艺厂提供的工具(如MemoryCompiler)，分别建立RTL模型或行为级模型、SPICE管级模型。最终完成电路系统所有模块不同层级建模。

步骤三：组建包含不同层级模块的电路系统。根据仿真需求，将系统中待注入模块用SPICE管级描述，其余模块用RTL行为级模型描述，构建两个层次模型间的接口将模块连接从而完成整个电路系统的混合模型的构建。例如，现计划对LEON2处理器中的整数处理单元进行单粒子注入，探究五级流水线的单粒子效应对整个电路系统的影响。对于这个仿真需求，如图3所示，对于整数处理单元，采用SPICE管级模型；而对于LEON2处理器其余模块如缓存、AHB总线控制器、存储器控制器，和Flash、SRAM模块，皆采用Verilog/VHDL的行为级模型；最后组建完整的电路系统，SPICE管级模型之间用SPICE语法例化连接，行为级模型之间同样也是直接例化即可，而对于SPICE模型和行为级模型的连接，则需按照混合仿真工具的语法，创建对应模拟信号到数字信号的接口。

步骤四：准备电路的仿真激励文件。对于例子中的星载计算机系统，仿真激励就是存储在Flash和SRAM中的程序：系统上电之后运行保存在Flash中的初始化程序，然后地址跳转并执行存储于SRAM中的程序。如首先将需要处理器执行的初始化程序和运行程序由C语言编译为汇编语言，再进一步汇编为机器码指令。将初始化程序的机器码指令存入Flash中，将运行程序的机器码指令存入SRAM中。

对于RTL模型或行为级模型，可直接用Verilog支持的语法，读取数据到存储器中：

对于SPICE管级网表，可以根据网表中存储节点名称，通过给存储节点设置初始电压的方式完成程序的存入：

步骤五：对电路系统进行混合仿真，同时指定的SPICE管级模块进行单粒子故障注入。如图4所示，提取LEON2处理器的整数处理单元的敏感节点，用Perl脚本随机选取其中一个敏感节点，调用PWL电流源模型进行随机时间的注入，并成生单粒子故障注入文件，将生成的单粒子故障注入文件包含进整数处理单元的SPICE管级网表中，得到包含单粒子故障注入的整数处理单元的SPICE管级网表模型。最后调用VCS-MX与Finesim对RTL级模型、SPICE管级模型进行数模混合仿真，仿真单粒子注入指定模块对整个系统的影响。

步骤六：对仿真结果进行比对分析。完成上一步仿真后，根据仿真结果，需要进行数据的比对和整理，才能进一步分析模块的单粒子效应对整个电路系统的影响。对于RTL模型和行为级模型，可以在testbench中加入数据记录模块，记录仿真过程中需要监测的信号的值；对于SPICE管级模型，加入电压测量语句，记录仿真过程时整数处理单元中各点的电压值。用脚本将单粒子注入后的仿真结果与未注入的仿真结果对比，得到单粒子注入该模块对系统的影响。

Claims

1.一种针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法，其特征在于，包括：

步骤四：准备目标电路系统的仿真激励文件；

2.根据权利要求1所述的针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法，其特征在于：

所述目标电路系统划分为处理器、Flash和SRAM；其中处理器包括整数处理单元、缓存、AHB总线控制器和存储器控制器。

3.根据权利要求2所述的针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法，其特征在于：

对于单粒子注入所述整数处理单元的系统仿真需求，所述整数处理单元采用SPICE管级模型，而处理器的其他单元以及所述Flash和SRAM，均采用Verilog/VHDL的行为级模型；组建的电路系统中，SPICE管级模型之间用SPICE语法例化连接，行为级模型之间直接例化；SPICE管级模型与行为级模型的连接按照混合仿真工具的语法，创建对应模拟信号到数字信号的接口。

4.根据权利要求3所述的针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法，其特征在于：所述仿真激励文件是存储在Flash和SRAM中的程序，系统上电之后运行保存在Flash中的初始化程序，然后地址跳转并执行存储于SRAM中的程序。

5.根据权利要求3所述的针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法，其特征在于：所述混合仿真，是调用VCS-MX与Finesim对RTL或行为级模型、SPICE管级模型进行数模混合仿真。

6.根据权利要求3所述的针对系统级单粒子效应的混合仿真分析方法，其特征在于：步骤六中，对于RTL模型以及行为级模型，通过加入数据记录模块，记录仿真过程中需要监测的信号的值；对于SPICE管级模型，通过加入电压测量语句，记录仿真过程中整数处理单元中各敏感节点的电压值。