CN114089161A - 一种基于Zynq芯片的自动化故障注入系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Zynq芯片的自动化故障注入系统，包括测试电路板、搭载在测试电路板上的Zynq芯片、用于存储无故障配置文件与待测配置帧地址的非易失性存储器以及用于对Zynq芯片发送指令和显示测试结果的监控主机；所述Zynq芯片用于对测试电路板的故障注入与结果分析。本发明还提供了上述自动化故障注入系统的实施方法。通过该系统操作借助内部接口执行配置加载，能够有效减少对外部硬件的依赖、提高故障注入试验效率，从而快速判定被测电路板是否符合设计需求，便于被测电路板后续的加固改进工作。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天星载设备中FPGA技术领域，尤其涉及一种基于Zynq芯片的自动化故障注入系统及实现方法。
背景技术
太空环境充满了各种高能粒子，如质子、电子、重离子等。这些粒子来于地球俘获带、银河宇宙射线、太阳宇宙射线等，普遍具有非常强的穿透力，很难被完全屏蔽。逻辑器件极易受到这些粒子的辐射效应影响，其中最重要的就是单粒子效应。
单粒子效应是指当高能带电粒子撞击微电子器件中的敏感点时，由于电离效应，产生大量电子空穴对，当器件吸收足够多的电子空穴对后会产生瞬态电流脉冲，从而造成电路逻辑状态的改变。出现单粒子翻转，严重时甚至会出现单粒子永久损伤、栅穿及烧毁等现象，损坏器件。
单粒子效应根据其对器件的损伤程度不同，可以分为可修复的“软错误”和不可修复的“硬错误”两大类。对于CMOS体硅工艺的集成电路而言，由于硬错误的产生需要在器件内沉积极大的电荷量，因此发生的概率较小；软错误可通过重新上电或重新配置进行修复，主要包括单粒子翻转、单粒子功能终止和单粒子瞬态扰动，随着工艺缩减愈发严重，因此单粒子效应产生的软错误已经成为影响纳米工艺节点下电路可靠性的关键因素。
为了评估单粒子翻转效应对SRAM型FPGA的影响，目前常用的故障模拟方法有粒子辐照试验和模拟仿真两大类。粒子辐照试验成本高、试验周期长、容易造成辐射污染，且国内高能加速器资源相对较少，预约困难；而模拟仿真由于其使用灵活、成本低的优势逐渐成为了目前主流的验证方法。
传统的故障注入方案采用JTAG或SelectMap接口进行配置加载，其通常需要借助额外的硬件辅助设备，使得系统功耗增加、物理走线增多，且配置速度慢；为减少对外部硬件的依赖，部分研究采用了FPGA内部的ICAP接口，能够方便的实现对配置存储器内容的翻转，但由于ICAP接口控制电路占用了部分FPGA资源，使得这块资源无法进行故障注入测试。
专利文献CN111707930A公开了一种基于单粒子效应的故障注入方法，将试验电路板固定于三维移动台上，打开皮秒脉冲激光器，设定激光脉冲频率，确定激光器稳定运行；将激光聚焦到试验器件正面，测得试验器件长a、宽b，移动三维移动台使激光光斑定位于试验器件显微成像的一角处，并作为扫描原点；试验器件加电，记录工作电压；设定初始激光能量，设定三维移动台周期移动，使激光注量覆盖扫描试验器件；采用最低激光能量最低时芯片发生单粒子锁定；拆除试验电路板，更换试验器件，重复S2-S5试验步骤；关闭皮秒脉冲激光器，试验结束。该发明可以降低测试的时间，但是该发明容易受到外界光干扰，且需要额外的设备进行故障注入。
专利文献CN112596506A公开了一种故障注入方法、故障注入器、存储介质以及故障注入系统，所述故障注入器与SRAM型FPGA通信连接，所述FPGA包括待注入电路，该方法包括：接收用户选择的故障注入模式，以及，所述用户输入的与所述故障注入模式对应的故障参数，根据所述故障注入模式和与所述故障注入模式对应的故障参数，生成故障配置文件，将所述故障配置文件注入所述FPGA的待注入电路中，实现故障注入。该发明具有手动注入模式、逐位注入模式、累积注入模式中三种故障注入方式，但是该发明需要额外设置故障注入器，成本投入过大。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于Zynq芯片的自动化故障注入系统，该系统操作借助内部的PCAP接口执行配置加载，能够有效减少对外部硬件的依赖、提高故障注入试验效率，并且能测试出配置存储器中敏感比特位的位置，从而快速判定被测电路板是否符合设计需求，便于被测电路板后续的加固改进工作。
一种基于Zynq芯片的自动化故障注入系统，包括测试电路板、搭载在测试电路板上的Zynq芯片、用于存储无故障配置文件与待测配置帧地址的非易失性存储器以及用于对Zynq芯片发送指令和显示测试结果的监控主机；所述Zynq芯片用于对测试电路板的故障注入与结果分析。
优选的，所述Zynq芯片包括具备回读功能的FPGA与ARM处理器以及用于存储测试配置文件的FPGA配置存储器，所述ARM处理器根据功能分为：
非易失性存储器读取模块，用于从非易失性存储器中获取无故障配置文件和待测配置帧地址，并将待测配置帧地址提前预存在Zynq芯片附带的片上内存中，避免在测试工作频繁访问非易失性存储器带来的时间开销；
回读模块，用于回读FPGA配置存储器中的配置帧以及剔除回读帧中的空白帧，所述配置帧是基于待测配置帧地址的顺序依次从FPGA配置存储器中回读获得；
数据翻转模块，对回读获得的配置帧内容进行随机翻转；
重配置模块，对完成翻转的配置帧进行空白帧填充，根据所述配置帧地址将填充好的配置帧重新写入FPGA配置存储器中；
功能验证模块，用于驱动测试电路板运行测试配置文件，并记录运行结果；
结果比对模块，用于分析与保存功能验证模块提供的运行结果，得出结论。
优选的，所述Zynq芯片还附带有片上内存，所述片上内存用于预存非易失性存储器读取模块获取的待测配置帧地址，便于随时提取待测配置帧地址，加快读取速度，避免频繁访问SD卡带来的时间开销。
优选的，所述FPGA通过内置的PCAP接口与ARM处理器执行数据传输，不仅无需占用FPGA逻辑资源，还能达到较高的配置速度，从而极大缩短故障注入的测试时间。
优选的，所述随机翻转是基于当前的系统时间作为随机种子，对配置帧内容进行单比特数据翻转或多个比特数据同时翻转。
本发明还提供了基于Zynq芯片的自动化故障注入系统的实现方法，该方法可以有效提高故障注入的效率，同时降低运算的压力:
一种基于Zynq芯片的自动化故障注入系统的实现方法，包括：
S1测试系统初始化；
S2进行一次无故障运行，将无故障运行的结果作为正确结果存储结果比对模块；
S3通过监控主机发送测试指令到测试电路板的Zynq芯片中；
S4 Zynq芯片根据测试指令对测试电路板进行故障注入，获得运行结果；
S5比对运行结果与正确结果，将比对结果输出至监控主机，并经过故障修复后，继续故障注入，直至完成本次的测试工作。
优选的，所述测试系统初始化，包括：
S1.1通过Zynq芯片的非易失性存储器读取模块获取存储在非易失性存储器中的无故障配置文件及待测配置帧地址，并将待测配置帧地址提前预存在Zynq芯片附带的片上内存中；
S1.2通过监控主机编辑测试指令，所述测试指令包括预设翻转比特位数与初始帧地址。
优选的，所述故障注入的具体过程为：
S4.1 Zynq芯片的回读模块根据测试指令的初始帧地址从FPGA配置存储器中回读对应的配置帧；
S4.2 Zynq芯片的数据翻转模块对回读获得的配置帧内容进行随机翻转，所述随机翻转的个数是基于测试指令中预设翻转比特位数为准；
S4.3 Zynq芯片的重配置模块将经过随机翻转后的配置帧重新写入FPGA配置存储器中，并记录重加载时间T发送至监控主机；
S4.4 Zynq芯片的功能验证模块从FPGA配置存储器中获取已重新写入的测试配置文件，并加载到测试电路中进行运行并输出结果。
优选的，所述故障修复是基于运行结果与正确结果比对结果来判定，当运行结果与正确结果相同时，根据待测配置帧地址中下一个配置帧地址进行故障注入；当运行结果与正确结果不相同时，Zynq芯片的回读模块依据配置帧地址从非易失性存储器的无故障配置文件中获取正确的配置帧，并通过Zynq芯片的重配置模块重新写入FPGA配置存储器中完成故障修复。
优选的，所述监控主机统计所有运行结果与正确结果不相同时的重加载时间T，计算其平均值作为判定该电路抗单粒子翻转能力的指标。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)为内置系统无需借助额外的硬件资源，减少故障注入系统的功耗；
(2)采用内部配置接口PCAP，不占用FPGA运算逻辑，从而提高了故障注入速率。
(3)借助内部状态机，可自动化实现故障注入、检测、修复和比对过程，避免人为干预造成的低效性。
附图说明
图1为本发明提供的系统结构示意图；
图2为本发明提供的故障注入流程示意图；
图3为回读过程的流程示意图；
图4为重加载过程的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种基于Zynq芯片的自动化故障注入系统，主体框架为监控主机，搭载有Zynq芯片的测试电路板与非易失性存储器组成，其中监控主机与待测电路板之间采用RS232串口协议进行通信；监控主机用于发送指令和显示测试结果；非易失性存储器采用SD卡，用于存放无故障配置文件与待测配置帧地址；Zynq芯片包括FPGA与ARM处理器以及用于存储测试配置文件的FPGA配置存储器，其中ARM处理器根据功能划分为：回读模块、数据翻转模块、非易失性存储器读取模块、结果比对模块、重配置模块和功能验证模块。
如图2所示，为本发明提供的故障注入流程示意图：
S1测试系统初始化：先在非易失性存储中内保存无故障配置文件与待测配置帧地址，其中无故障配置文件是经过解析调试比特流得到的配置帧地址与其相对应的配置帧内容；
S2通过监控主机设定测试指令包括初始帧地址与翻转比特位数；
S3初始化完毕后，通过非易失性存储器模块获取SD卡中的存放无故障文件与待测配置帧地址，并将待测配置帧地址提前预存在Zynq芯片附带的片上内存中，从而便于随时提取待测配置帧地址，加快读取速度，避免频繁访问SD卡带来的时间开销；
S4先运行一次无故障文件，获得运行结果后作为正确结果保存在结果比对模块；
S5根据测试指令，Zynq芯片中的回读模块通过PCAP接口获取FPGA配置存储器中配置帧以及剔除配置帧中的空白帧；
其中回读过程的流程如图3所示，主要包括发送回读配置命令、接收回读数据以及终止回读序列，通过调试DMA传输将配置命令发送至配置存储器，当DMA的DONE信号拉高时表示发送过程结束。
S6数据翻转模块根据回读模块获取的配置帧内容，基于当前的系统时间作为随机种子，对该配置帧内容中若干个比特位进行0-1翻转，其中翻转的比特位个数依据测试指令中翻转比特位数决定；
S7重配置模块对完成翻转的配置帧进行空白帧填充，根据对应的配置帧地址将填充好的配置帧重新写入FPGA配置存储器中；
其中重加载过程的流程如图4所示，包括发送刷新配置命令、发送刷新数据和终止刷新过程；同时记录该过程的重加载时间T并发送至监控主机；
S8当完成重配置后，功能验证模块根据故障注入后的测试配置文件进行运行测试，并将运行结果发送至结果比对模块，同时在监控主机处记录计数标志位count加1；
S9根据结果比对模块比较运行结果与正确结果，若两者一致，则在监控主机处记录success标志位加1；反之将fail标志位加1；
S10故障修复是基于标志位显示为fail时，回读模块依据配置帧地址从非易失性存储器的无故障配置文件中获取正确的配置帧，并通过重配置模块重新写入FPGA配置存储器中完成故障修复。
S11每测试完当前配置帧地址后，系统会自动递增到下一个配置帧地址，重复上述步骤，直至完成所有配置帧地址的测试；监控主机统计标志位值为count％2＝＝1的重加载时间T，计算出该单配置帧刷新的平均刷新时间，根据平均刷新时间来判定被测电路板是否符合设计需求，即根据Zynq芯片翻转率，计算出Zynq芯片的理论单粒子翻转时间t，当T<t时说明被测电路板符合设计要求。
Claims (10)
1.一种基于Zynq芯片的自动化故障注入系统，其特征在于，包括测试电路板、搭载在测试电路板上的Zynq芯片、用于存储无故障配置文件与待测配置帧地址的非易失性存储器以及用于对Zynq芯片发送指令和显示测试结果的监控主机；所述Zynq芯片用于对测试电路板的故障注入与结果分析。
2.根据权利要求1所述的自动化故障注入系统，其特征在于，所述Zynq芯片包括具备回读功能的FPGA与ARM处理器、用于存储测试配置文件的FPGA配置存储器，所述ARM处理器根据功能分为：
非易失性存储器读取模块，用于从非易失性存储器中获取无故障配置文件与待测配置帧地址；
回读模块，用于回读FPGA配置存储器中的配置帧以及剔除回读帧中的空白帧，所述配置帧是基于待测配置帧地址的顺序依次从FPGA配置存储器中回读获得；
数据翻转模块，对回读获得的配置帧内容进行随机翻转；
重配置模块，对完成翻转的配置帧进行空白帧填充，根据所述配置帧地址将填充好的配置帧重新写入FPGA配置存储器中；
功能验证模块，用于驱动测试电路板运行测试配置文件，并记录运行结果；
结果比对模块，用于分析与保存功能验证模块提供的运行结果，并得出结论。
3.根据权利要求2所述的自动化故障注入系统，其特征在于，所述Zynq芯片还附带有片上内存，所述片上内存用于预存非易失性存储器读取模块获取的待测配置帧地址。
4.根据权利要求2所述的自动化故障注入系统，其特征在于，所述FPGA通过内置的PCAP接口与ARM处理器执行数据传输。
5.根据权利要求2所述的自动化故障注入系统，其特征在于，所述随机翻转是基于当前的系统时间作为随机种子，对配置帧内容进行单比特数据翻转或多个比特数据同时翻转。
6.根据权利要求1-5任一所述的基于Zynq芯片的自动化故障注入系统的实施方法，包括：
S1测试系统初始化；
S2进行一次无故障运行，将无故障运行的结果作为正确结果存储结果比对模块中；
S3通过监控主机发送测试指令到测试电路板的Zynq芯片中；
S4 Zynq芯片根据测试指令对测试电路板进行故障注入，获得运行结果；
S5比对运行结果与正确结果，将比对结果输出至监控主机，并经过故障修复后，继续故障注入，直至完成本次的测试工作。
7.根据权利要求6所述的基于Zynq芯片的自动化故障注入系统的实施方法，其特征在于，所述测试系统初始化，包括：
S1.1通过Zynq芯片的非易失性存储器读取模块获取存储在非易失性存储器中的无故障配置文件与待测配置帧地址，并将测配置帧地址预存在Zynq芯片附带的片上内存中；
S1.2通过监控主机编辑测试指令，所述测试指令包括预设翻转比特位数与初始帧地址。
8.根据权利要求6所述的基于Zynq芯片的自动化故障注入系统的实施方法，其特征在于，所述故障注入的具体过程为：
S4.1 Zynq芯片的回读模块根据测试指令的初始帧地址从FPGA配置存储器中回读对应的配置帧；
S4.2 Zynq芯片的数据翻转模块对回读获得的配置帧内容进行随机翻转，所述随机翻转的个数是基于测试指令中预设翻转比特位数为准；
S4.3 Zynq芯片的重配置模块将经过随机翻转后的配置帧重新写入FPGA配置存储器中，并记录重加载时间T发送至监控主机；
S4.4 Zynq芯片的功能验证模块从FPGA配置存储器中获取已重新写入的测试配置文件，并加载到测试电路中进行运行并输出结果。
9.根据权利要求6所述的基于Zynq芯片的自动化故障注入系统的实施方法，其特征在于，所述故障修复是基于运行结果与正确结果的比对结果判定，当运行结果与正确结果相同时，根据待测配置帧地址中下一个配置帧地址进行故障注入；当运行结果与正确结果不相同时，Zynq芯片对FPGA配置存储器进行故障修复。
10.根据权利要求6所述的基于Zynq芯片的自动化故障注入系统的实施方法，其特征在于，所述监控主机统计所有运行结果与正确结果不相同时的重加载时间T，计算其平均值作为判定该电路抗单粒子翻转能力的指标。
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