基于重配置的FPGA单粒子效应故障注入技术研究

1144766066 · 发表于 2022-5-14 22:16:57

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雅宝题库解析：
在空间领域得到广泛应用的FPGA（Field Programmable Gate Array）易受到单粒子效应影响，造成功能出错。因此，在应用于空间环境之前，必须对FPGA进行辐射加固，并对加固后的设计进行可靠性评测。目前国内外主要采用辐射试验的方法来模拟空间单粒子效应，然而这种方法成本高，危险性大，且主要用于评测FPGA器件本身的静态可靠性参数，无法对防护技术进行评测。最近几年，国外开始研究故障注入的方法，通过人为对FPGA中存储单元的内容修改来模拟单粒子效应。尤其是利用FPGA可重配置的特性，使得基于重配置的故障注入技术成为FPGA单粒子效应可靠性评测的理想方法。国外采用此方法已对FPGA的多种防护技术进行了有效评测。然而国内的评测技术还停留在辐射试验的阶段上，亟需故障注入技术的研究和实现。本课题以FPGA的空间应用为背景，以实现FPGA防护技术抗单粒子效应可靠性评测为目标，进行基于重配置的故障注入技术研究。课题以Xilinx公司Virtex-II系列器件为研究载体，分析FPGA各功能模块的单粒子效应故障模式，研究实现基于重配置故障注入的两个关键技术：一是FPGA配置文件的解析，得到配置文件与物理结构的对应关系；二是FPGA动态重配置和回读技术的实现。为了能完整的对一个防护技术进行评测，课题提出三种故障注入方法：定位故障注入、逐位翻转故障注入和随机故障注入。通过三种方法的相互补充，可以全面定量的评测防护技术的有效性。根据提出的方法搭建故障注入系统平台，并对具体设计分别进行以上三种方法的故障注入试验，验证故障注入方法的有效性。试验结果表明，成功实现了三种故障注入方法，且与传统的单一注入方法相比，通过对三种方法的合理选择和相互补充，可全面评测用户电路设计的可靠性，并定量得到设计的可靠性参数。定位故障注入可以根据用户设计对用到的资源进行定位翻转，快速查看设计的防护效果；逐位翻转故障注入方法无需用户了解电路设计的实现细节及提供故障注入位置，就可对防护技术进行定量的评测，试验花费时间较少，一次完整的试验只需33min；随机故障注入则通过模拟辐射试验的翻转数据，更真实的模拟实际辐射时的翻转情况。

基于重配置的FPGA单粒子效应故障注入技术研究

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