SRAM型FPGA单粒子翻转定向故障注入技术研究

发布时间：2020-10-10 21:58

　　 FPGA芯片自诞生以来,相比于ASIC芯片,其低成本、开发方便等优点,使其迅速在各个工程领域得到了越来越广泛的应用。其中SRAM型FPGA凭借其低功耗、高性能的优点,成为FPGA中的主流,并在航空航天领域被广泛的应用。但是由于SRAM型FPGA的结构特征,其很容易受到空间辐射环境的作用而发生单粒子效应,进而对其功能造成影响。因此为了验证在SRAM型FPGA上实现的电路系统对单粒子效应的敏感度,并对其进行可靠性评估,就需要开发专门的单粒子效应评估工具。这就是本课题研究的主要内容。本文对Xilinx公司的SRAM型FPGA Virtex6系列开发板进行研究,根据其工作原理以及结构特征,分析了其容易发生单粒子效应的影响因素。并对单粒子效应的各个类型及其特点进行了探讨,确定了单粒子翻转是造成FPGA电路系统功能失效的主要原因。同时分析了FPGA设备中各个逻辑单元发生单粒子翻转后的失效模式,确定了本课题的故障注入模型为FPGA设备配置存储器中的一位单粒子翻转。对SRAM型FPGA进行故障注入,需要对配置存储器内容进行重配置,本课题选择ICAP接口实现这一操作。确定了故障注入模型后,以ICAP接口对FPGA配置存储器内容进行重配置操作为基础,建立了由故障注入模块、故障检测模块以及上位机三大模块构成的随机故障注入平台。然后再利用该故障注入平台对四个基准组合电路进行故障注入试验,验证了该故障注入平台的有效性。直接对SRAM型FPGA的配置存储器所有位进行故障注入,一方面由于故障注入范围太大而没有针对性,会造成时间上的开销较大;另一方面可能会导致整个故障注入平台发生功能错误而无法正常运行。因此本课题通过使用Xilinx公司的基本位技术,将与用户电路相关的配置位筛选出来,缩小故障列表,实现更加准确、快速的定向故障注入,从而更加有针对性地实现对用户电路的单粒子效应评估。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN791
【部分图文】：

中均为 32 位；SIM_CFG_FILE_NAME 寄存器用来设置需要分析的原始比特流文件的模拟模型，在本课题中不需要这一功能。调用 ICAP 接口完成之后，然后利用BUSY、CSI_B 和 RDWR_B 信号来设置 ICAP 接口输入或输出操作。接下来就可以通过 ICAP_I 端口向 FPGA 芯片输入命令序列，实现对 FPGA 配置内存内容的操作。3.2.2 ICAP 接口信号时序关系要通过 ICAP 接口读取配置内存，用户必须首先设置写控制接口，设置为写操作后，通过 icap_i 端口向 FPGA 芯片发送命令以及输入想要读取帧的地址，紧接着再将 ICAP 切换为读模式，从芯片中读取数据。ICAP 接口的写或读模式由RDWR_B 决定：当接口设置为写模式时，ICAP 数据管脚是输入；当接口设置为读模式时，它们是输出。在设置 RDWR_B 数值之前，必须先对 CSI_B 信号置为有效，否则会导致电路系统出错。将 ICAP 接口从 write 更改为 read 模式，其控制信号变换如图 3-1 所示。

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文如表 3-7 所示，列出了利用 ICAP 接口读取 FPGA 配置寄存器 IDCODE 内容的命令序列。需要注意的是，用户必须在步骤 10 和步骤 11 之间将 ICAP 接口从Write 模式转换为 Read 模式，并在步骤 11 之后返回为 Write 模式。具体过程如图3-2 所示。

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文IDCODE 寄存器的地址后，即可读取出 FPGA 芯该数值通过 ICAP_O 端口输出。实现 ICAP 接口以读取配置寄存器数值时，调用gpio 接口，利用 gpio 接口将 ICAP_O 输出端口从而可以直观地观察到通过 ICAP 接口读取到DE 寄存器数值如图 3-4 所示：
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本文编号：2835644