CN115221678A - 一种仿真mcu受辐射故障射注入方法、存储介质及系统 - Google Patents

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曹勤剑
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Abstract

本发明涉及一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，包括步骤：构建堆栈备份区域，实时记录当前运行数据；检测是否产生中断信号，并在产生中断信号时，判断中断信号的类型；根据中断信号的类型在构建的堆栈备份区域进行修改，并写入原位置，以产生模拟故障注入。本发明还提供一种存储介质及一种仿真MCU受辐射故障射注入系统，采用本发明所述的仿真MCU受辐射故障射注入方法、存储介质及系统实现了脱离实际测试环境，使用软件仿真受辐照器件上动态存储区产生的单粒子翻转现象。

Description

一种仿真MCU受辐射故障射注入方法、存储介质及系统
技术领域
本发明属于电离辐射测量技术领域，具体涉及一种仿真MCU受辐射故障射注入方法、存储介质及系统。
背景技术
核电厂与宇宙空间环境中使用的集成电路周围充斥着大量的高能粒子，这些高能粒子入射到器件后，会在器件内部敏感区形成电子-空穴对从而造成器件的功能异常从而对其正常运行产生巨大的影响，这些故障统称为单粒子现象(SEP)。器件受不同剂量照射产生的SEP不同，可以按效应分为：(1)单粒子翻转(SEU)，即电子元器件(尤其是数字电路中MCU，FPGA等芯片)工作状态的瞬时改变，这种改变是可逆的；(2)单粒子拴锁(SEL)，即电子元器件工作状态改变并且需要断电后才能恢复以前的状态；(3)单粒子烧毁(SEB)，即器件发生不可逆的故障而失效。电子元器件的辐射防护研究也就是量化辐射环境对集成电路的影响并以此为依据制定相应的辐射防护措施。
现有实验方式将运行正常的板卡固定在绿板上，将其中具备主要逻辑功能的电子元器件做开封处理(使硅片裸露)，准焦后利用中子源使用不同的注量率对器件进行照射，再使用程控点源、网络交换器等设备观察并记录器件的辐照效应。
该实验方式工序繁琐，成本高昂，且具有一定程度的不可重复性。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种仿真MCU受辐射故障射注入方法、存储介质及系统以实现利用仿真算法模拟单粒子翻转故障注入，从而达到降低实验成本的效果。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，包括步骤：构建堆栈备份区域，实时记录当前运行数据；检测是否产生中断信号，并在产生中断信号时，判断中断信号的类型；根据中断信号的类型在构建的堆栈备份区域进行修改，并写入原位置，以产生模拟故障注入。
进一步，所述终端信号的类型包括单字节单bit故障注入、单字节双bit故障注入及随机字节单bit故障注入，其中，随机字节单bit故障注入以单字节单bit故障注入为基础，外层嵌套一层循环。
进一步，三种类型的所述中断信号的故障注入算法使用GPIO的三个外部中断实现。
进一步，所述随机字节单bit故障注入对应修改堆栈备份区域后产生2-10个bit位错误。
进一步，所述根据中断信号的类型在构建的堆栈备份区域进行修改，并写入原位置，以产生模拟故障注入后还包括步骤：通过实验板卡的实时功率及各功能模块的状态，判断是否发生SEU现象。
进一步，所述通过实验板卡的实时功率及各功能模块的状态，判断是否发生SEU现象后还包括步骤：记录实验现象；。
进一步，所述记录实验数据后还包括步骤：将记录的实验现象与现有实验现象进行比对，以判断模拟故障注入的可靠性。
进一步，所述堆栈备份区域用于记录关键寄存器当前值和堆区地址的当前值，并进行实时更新。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述仿真MCU受辐射故障射注入方法。
本发明还提供一种仿真MCU受辐射故障射注入系统，包括：存储器和处理器，存储器中存储有所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行所述的仿真MCU受辐射故障射注入方法。
本发明的效果在于：在运行软件的基础上，开辟另外的堆栈备份区域，用于记录当前软件运行状态，并实时更新这些值，在中断被触发时进入中断处理程序，根据触发中断的不同，将备份区的堆栈数据进行相应的修改并写入原来的位置。从而注入了原本在特殊环境辐射情况下才能产生的SEU故障，实现了脱离实际测试环境，使用软件仿真受辐照器件上动态存储区产生的单粒子翻转现象。
附图说明
图1是本发明一种仿真MCU受辐射故障射注入方法的步骤流程图；
图2是本发明一种仿真MCU受辐射故障射注入方法的原理示意图；
图3是本发明一种仿真MCU受辐射故障射注入方法中故障产生的原理示意图；
图4是步骤S3的后续步骤流程图；
图5是步骤S4的后续步骤流程图；
图6是步骤S5的后续步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
如图1-6所示，本发明提供的一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，其包括步骤：
S1，构建堆栈备份区域，实时记录当前运行数据；
具体的，在运行软件的基础上，开辟另外的堆栈备份区域，用于记录当前软件运行状态，即关键寄存器当前值和堆区地址的当前值，并实时更新这些数据。
S2，检测是否产生中断信号，并在产生中断信号时，判断中断信号的类型；
具体的，在实验过程中，由工作人员触发中断信号，中断信号的类型包括：单字节单bit故障注入、单字节双bit故障注入及随机字节单bit故障注入，其中，单字节单bit故障注入及单字节双bit故障注入旨在为后续逻辑层为RAM区添加SECDED功能提供软件基础，随机字节单bit故障注入以单字节单bit故障注入的算法为基础，外层嵌套一层循环。
在本实施例中，上述三个中断信号的故障注入算法使用GPIO的三个外部中断来实现，RISC-V软核检测到中断的发生跳转到中断向量，置对应的标志位并清除中断后返回主程序继续执行。
在本实施例中，首先修改板上的软件，添加外部中断检测分支，元器件上电运行之后，由实验人员触发板上按键产生外部中断，该外部中断被检测到则判断中断序号，根据不同的中断序号进入不同的中断处理程序，进行故障注入。
S3，根据中断信号的类型在构建的堆栈备份区域进行修改，并写入原位置，以产生模拟故障注入；
具体的，在判断好中断信号的类型后，根据不同的类型，在构建好的堆栈备份区域进行不同的修改，并将修改后的内容覆盖写入原位置，从而使数据产生错误，从而模拟受辐射后的故障注入。
在本实施例中，单字节单bit故障注入、单字节双bit故障注入及随机字节单bit故障注入分别对应修改堆栈备份区域中单个bit位、两个bit位及随机个bit位的错误。
进一步地，随机字节单bit故障注入对应修改堆栈备份区域后产生2-10个bit位错误。
可以理解，由于单粒子拴锁(SEL)及单粒子烧毁(SEB)皆需进行断电操作，故在本实施例中，仅可对单粒子翻转(SEU)进行模拟仿真。
通过利用仿真的形式进行故障注入，相较于传统的故障注入实验，降低了实验成本。
进一步地，步骤S3后还包括步骤：
S4，通过实验板卡的实时功率及各功能模块的状态，判断是否发生SEU现象；
具体的，在根据对应的模式写入错误，从而模拟故障注入后，还可通过观察实验板卡实时功率、各功能模块状态，从而判断是否发生SEU现象，即通过实验板卡实时功率及各功能模块状态，判断故障注入是否成功。
进一步地，步骤S4后还包括步骤：
S5，记录实验现象；
具体的，在判断发生SEU现象后，对实验中的数据进行记录，以量化辐射环境对集成电路的影响并以此为依据制定相应的辐射防护措施。
进一步地，步骤S5后还包括步骤：
S6，将记录的实验现象与现有实验现象进行比对，以判断模拟故障注入的可靠性；
具体的，在完成实验并记录实验现象后，将记录的实验现象与现有实验方式进行实验的各项现象进行比对，从而判断本发明中利用软件模拟故障注入的方法是否可靠，如记录的实验现象与现有实验方式进行实验的各项现象皆近似，则认定本发明中利用软件模拟故障注入的方法可靠，否则调整实验数据，直至与现有实验方式的各项现象近似为止。
可以理解，本发明的可行性与局限性均来源于：数字电子器件(含有SRAM或DRAM的IC)在特殊情况下受到辐射产生辐射效应时，MOS型半导体存储器受辐射发生电平翻转的物理区域与作用范围、对应软件的受影响功能区域的不确定性。
本发明还提供一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行上述方法步骤。存储介质可以包括如软盘、光盘、DVD、硬盘、闪存、U盘、CF卡、SD卡、MMC卡、SM卡、记忆棒(Memory Stick)、XD卡等。
计算机软件产品存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台计算机设备(可以是个人计算机设备、服务器或其他网络设备等)用以执行本发明方法的全部或部分步骤。
本发明还提供一种仿真MCU受辐射故障射注入系统，其包括处理器和存储器,存储器上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现一种仿真MCU受辐射故障射注入方法
通过上述实施例可以看出，本发明在运行软件的基础上，开辟另外的堆栈备份区域，用于记录当前软件运行状态，并实时更新这些值，在中断被触发时进入中断处理程序，根据触发中断的不同，将备份区的堆栈数据进行相应的修改并写入原来的位置。从而注入了原本在特殊环境辐射情况下才能产生的SEU故障，实现了脱离实际测试环境，使用软件仿真受辐照器件上动态存储区产生的单粒子翻转现象。
本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，其特征在于，包括：
构建堆栈备份区域，实时记录当前运行数据；
检测是否产生中断信号，并在产生中断信号时，判断中断信号的类型；
根据中断信号的类型在构建的堆栈备份区域进行修改，并写入原位置，以产生模拟故障注入。
2.如权利要求1所述的一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，其特征在于：
所述终端信号的类型包括单字节单bit故障注入、单字节双bit故障注入及随机字节单bit故障注入，其中，随机字节单bit故障注入以单字节单bit故障注入为基础，外层嵌套一层循环。
3.如权利要求2所述的一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，其特征在于：
三种类型的所述中断信号的故障注入算法使用GPIO的三个外部中断实现。
4.如权利要求2所述的一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，其特征在于：
所述随机字节单bit故障注入对应修改堆栈备份区域后产生2-10个bit位错误。
5.如权利要求1所述的一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，其特征在于，所述根据中断信号的类型在构建的堆栈备份区域进行修改，并写入原位置，以产生模拟故障注入后还包括步骤：
通过实验板卡的实时功率及各功能模块的状态，判断是否发生SEU现象。
6.如权利要求5所述的一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，其特征在于，所述通过实验板卡的实时功率及各功能模块的状态，判断是否发生SEU现象后还包括步骤：
记录实验现象；。
7.如权利要求6所述的一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，其特征在于，所述记录实验数据后还包括步骤：
将记录的实验现象与现有实验现象进行比对，以判断模拟故障注入的可靠性。
8.如权利要求1所述的一种仿真MCU受辐射故障射注入方法，其特征在于：
所述堆栈备份区域用于记录关键寄存器当前值和堆区地址的当前值，并进行实时更新。
9.一种存储介质，其特征在于：
所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1-8中任一项中所述的仿真MCU受辐射故障射注入方法。
10.一种仿真MCU受辐射故障射注入系统，其特征在于，包括：
存储器和处理器，存储器中存储有所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求1-8中任一项所述的仿真MCU受辐射故障射注入方法。
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