一種基于掩碼文件的fpga精確故障注入系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng)及方法，包括掩碼文件產(chǎn)生模塊、故障注入過程控制模塊和精確故障注入模塊三個模塊。掩碼文件產(chǎn)生模塊根據(jù)FPGA片上可編程資源與配置碼流之間的映射關(guān)系生成掩碼文件，并將掩碼文件提供給故障注入過程控制模塊；故障注入過程控制模塊對接收到的掩碼文件按數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行分析處理，再將掩碼數(shù)據(jù)幀提供給精確故障注入模塊；精確故障注入模塊根據(jù)接收到的掩碼數(shù)據(jù)幀，生成包括故障信息的單幀碼流并注入FPGA中，故障注入過程控制模塊采集故障注入結(jié)果并上傳給上位機(jī)。本發(fā)明根據(jù)FPGA片上可編程資源進(jìn)行精確注入，可以顯著提高評估FPGA單粒子效應(yīng)所需效率，有更強的針對性，從而有利于FPGA抗輻射加固技術(shù)的研究。
【專利說明】—種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng)及方法，主要應(yīng)用與FPGA片上可編程資源對空間單粒子效應(yīng)造成故障的敏感度驗證，屬于FPGA故障注入領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]FPGA由于使用靈活，成本低廉，功能強大，在空間環(huán)境中的應(yīng)用越來越多，但是FPGA在空間輻射環(huán)境中使用時，空間中的高能粒子會穿透FPGA的器件內(nèi)部，造成單粒子效應(yīng)。單粒子效應(yīng)會對FPGA系統(tǒng)的運行產(chǎn)生影響，造成錯誤，甚至使其完全無法使用。
[0003]通常情況下，使用輻射實驗的方法在地面模擬單粒子效應(yīng)來驗證FPGA對單粒子效應(yīng)的敏感程度，但是輻射實驗的方法成本高周期長，因此較為方便價廉的故障注入的方法用的越來越多。FPGA特有的可重復(fù)編程的能力，使故障注入的方法更加方便快捷。
[0004]FPGA的可重復(fù)編程能力，是由于FPGA中有很多片上可編程資源，包括CLB、10B、片上可編程互連等，通過使用配置碼流配置片上可編程資源，F(xiàn)PGA可以被配置成各種電路，實現(xiàn)不同的功能。
[0005]現(xiàn)有的針對FPGA的故障注入方法，是利用FPGA的可重復(fù)編程能力，翻轉(zhuǎn)FPGA的配置碼流中的一位，使用翻轉(zhuǎn)后的碼流重新配置FPGA，觀察其是否出現(xiàn)錯誤。如果出現(xiàn)錯誤，證明FPGA對這一碼位的翻轉(zhuǎn)敏感，如果不出現(xiàn)錯誤，證明FPGA對這一碼位的翻轉(zhuǎn)不敏感。通過逐位翻轉(zhuǎn)FPGA的配置碼流，得出FPGA的故障率、靜態(tài)翻轉(zhuǎn)界面等表征FPGA對單粒子故障敏感程度的參數(shù)。
[0006]目前現(xiàn)有的故障注入方法，采用的是逐位翻轉(zhuǎn)碼流的方法，只能得到FPGA的故障敏感度，得到的是籠統(tǒng)的統(tǒng)計結(jié)果，沒有針對性，無法對單粒子效應(yīng)對FPGA產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入分析。因此，為了使故障注入過程更有針對性，故障注入更有效率，得出的結(jié)果對研究單粒子效應(yīng)的影響和應(yīng)對單粒子效應(yīng)的措施研究更有幫助，需要一種更加細(xì)致、精確的故障注入方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng)及方法，根據(jù)FPGA的片上可編程資源和配置碼流的映射關(guān)系、實際測試需求得出掩碼文件，使用掩碼文件控制故障注入過程，進(jìn)行精確故障注入，使故障注入可以針對FPGA的某一種或某一個片上可編程資源進(jìn)行，從而實現(xiàn)對單粒子故障更精確，更有針對性，更有效率的分析。
[0008]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)
[0009]—種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng),包括:掩碼文件產(chǎn)生模塊、故障注入過程控制模塊、精確故障注入模塊和結(jié)果處理模塊；
[0010]掩碼文件產(chǎn)生模塊根據(jù)FPGA片上可編程資源與配置碼流之間的映射關(guān)系生成掩碼文件，并將掩碼文件提供給故障注入過程控制模塊，[0011]故障注入過程控制模塊對接收到的掩碼文件按數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行分析處理，再將掩碼數(shù)據(jù)幀提供給精確故障注入模塊；精確故障注入模塊根據(jù)接收到的掩碼數(shù)據(jù)幀，生成包括故障信息的單幀碼流并注入FPGA中，故障注入過程控制模塊采集故障注入結(jié)果并上傳給上位機(jī)。
[0012]所述掩碼文件是與FPGA故障注入所需的配置碼流文件等長的二進(jìn)制文件，整個文件由1、0組成；掩碼文件的每一位與配置碼流文件的每一位—對應(yīng),掩碼文件中的一位的值表征了配置碼流文件的該位是否需要進(jìn)行注入；掩碼中一位的值為1，表示配置碼流該位需要進(jìn)行故障注入；反之，表示配置碼流該位不需要進(jìn)行故障注入。
[0013]所述故障注入過程控制模塊包括掩碼文件分析模塊、故障注入使能模塊、故障注入終止模塊和故障注入結(jié)果采集模塊；
[0014]掩碼文件分析模塊接收輸入的掩碼文件，每次讀入一幀掩碼，通過對該幀掩碼進(jìn)行分析，如果該幀掩碼全為0，則表明該幀配置碼流數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行故障注入，繼續(xù)讀取下一幀掩碼文件進(jìn)行分析；如果該幀掩碼不全為0，表明該幀數(shù)據(jù)需要進(jìn)行故障注入，則使能故障注入使能模塊，將該幀掩碼發(fā)送給精確故障注入模塊；如果全部掩碼文件均已分析完畢，則使能故障注入終止模塊；故障注入結(jié)果采集模塊采集精確故障注入模塊返回的故障注入結(jié)果信息，當(dāng)故障注入終止模塊使能之后，故障注入結(jié)果采集模塊將采集到的故障注入結(jié)果信息上傳給上位機(jī)。
[0015]所述精確故障注入模塊包括異或模塊和信息注入模塊；異或模塊將單幀配置碼流文件和故障注入過程控制模塊提供的一幀掩碼數(shù)據(jù)進(jìn)行按位進(jìn)行異或計算，將異或計算后的單幀碼流通過信息注入模塊對FPGA進(jìn)行故障注入。
[0016]所述異或模塊將單幀配置碼流文件和故障注入過程控制模塊提供的一幀掩碼數(shù)據(jù)進(jìn)行按位進(jìn)行異或計算具體為:
[0017]將所述一幀掩碼數(shù)據(jù)的第一位與單幀配置碼流文件的第一位進(jìn)行異或，進(jìn)行異或計算后的配置碼流文件即為進(jìn)行第一次故障注入所用的單幀碼流；
[0018]將所述一幀掩碼數(shù)據(jù)的第二位與單幀配置碼流文件的第二位進(jìn)行異或，進(jìn)行異或計算后的配置碼流文件即為進(jìn)行第二次故障注入所用的單幀碼流；以此類推直到該幀掩碼數(shù)據(jù)所有位均進(jìn)行異或計算完畢；所述單幀配置碼流文件是配置碼流文件中與所述一幀掩碼數(shù)據(jù)所對應(yīng)的部分。
[0019]一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入方法，步驟如下:
[0020](I)根據(jù)FPGA片上可編程資源與配置碼流之間的映射關(guān)系生成掩碼文件；
[0021](2)對步驟(I)中掩碼文件以數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行分析判斷:讀入一幀掩碼文件，如果該幀掩碼全為0，表明該幀配置碼流不需要進(jìn)行故障注入，重新讀取下一幀掩碼進(jìn)行判斷；如果該幀掩碼不全為0，表明該幀配置碼流需要進(jìn)行故障注入，進(jìn)行步驟(3)；
[0022](3)根據(jù)所述不全為O的該幀掩碼文件，在配置碼流文件中提取與其對應(yīng)的單幀配置碼流；
[0023](4)將所述單幀配置碼流按位依次與相應(yīng)的掩碼位進(jìn)行異或操作，每進(jìn)行一次異或操作，使用異或后的所述單幀配置碼流重新配置FPGA，進(jìn)行故障注入，并收集該位的故障注入結(jié)果；
[0024](5)判斷整個掩碼文件是否已經(jīng)讀取完畢，如果沒有，返回步驟(2)繼續(xù)讀取下一幀掩碼進(jìn)行判斷；如果讀取完畢，故障注入結(jié)束，將故障注入結(jié)果上傳給上位機(jī)。
[0025]所述掩碼文件是與FPGA故障注入所需的配置碼流文件等長的二進(jìn)制文件，整個文件由1、0組成；掩碼文件的每一位與配置碼流文件的每一位—對應(yīng),掩碼文件中的一位的值表征了配置碼流文件的該位是否需要進(jìn)行注入；掩碼中一位的值為1，表示配置碼流該位需要進(jìn)行故障注入；反之，表示配置碼流該位不需要進(jìn)行故障注入。
[0026]本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)的有益效果為:
[0027](I)本發(fā)明根據(jù)FPGA片上可編程資源情況對配置碼流進(jìn)行有選擇的精確注入，需要分析的資源就進(jìn)行故障注入，不需要分析的資源就不進(jìn)行故障注入，可以顯著提高對FPGA單粒子效應(yīng)進(jìn)行評估所需的效率；
[0028](2)本發(fā)明針對FPGA片上可編程資源進(jìn)行精確故障注入，對比現(xiàn)有的逐位翻轉(zhuǎn)或隨機(jī)翻轉(zhuǎn)的故障注入方法，在分析單粒子效應(yīng)對FPGA的影響方面有更強的針對性；
[0029](3)本發(fā)明的結(jié)果分析是針對不同的FPGA片上可編程資源進(jìn)行的，得到的敏感度結(jié)果更加精確直觀，更有利于深入分析單粒子效應(yīng)影響和研究緩解單粒子效應(yīng)影響的措施，可以更方便、更有針對性地評估FPGA的抗輻照性能，從而有利于FPGA抗輻射加固技術(shù)的研究。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1為精確故障注入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0031]圖2為故障注入過程控制模塊的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0032]圖3為精確故障注入模塊的結(jié)構(gòu)原理圖；
[0033]圖4為本發(fā)明方法流程圖；
【具體實施方式】
[0034]如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng)，所謂精確故障注入過程與傳統(tǒng)遍歷式故障注入過程不同，精確故障注入并不對配置碼流文件的每一位都進(jìn)行故障注入并返回結(jié)果，而是根據(jù)掩碼文件判斷是否進(jìn)行故障注入和返回結(jié)果。本發(fā)明提供的一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng),包括:掩碼文件產(chǎn)生模塊、故障注入過程控制模塊和精確故障注入模塊；
[0035]掩碼文件產(chǎn)生模塊根據(jù)FPGA片上可編程資源與配置碼流之間的映射關(guān)系生成掩碼文件，并將掩碼文件提供給故障注入過程控制模塊。FPGA片上可編程資源與配置碼流之間的映射關(guān)系體現(xiàn)了 FPGA配置碼流的每一位分別對應(yīng)了 FPGA硬件架構(gòu)中的何種可編程資源。
[0036]輸送給故障注入過程控制模塊的掩碼文件可以是包含全部可編程資源的完整資源掩碼文件，也可以根據(jù)用戶需求選取特定的一種可編程資源或一個可編程資源，再根據(jù)FPGA片上可編程資源與配置碼流之間的映射關(guān)系形成包含部分可編程資源的部分資源掩碼文件。將掩碼文件中需要進(jìn)行精確故障注入的相應(yīng)配置碼流位置上的掩碼位設(shè)為1，其余掩碼位設(shè)為O。
[0037]故障注入過程控制模塊對接收到的掩碼文件按數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行分析處理，再將掩碼數(shù)據(jù)幀提供給精確故障注入模塊；精確故障注入模塊根據(jù)接收到的掩碼數(shù)據(jù)幀，生成包括故障信息的單幀碼流并注入FPGA中，故障注入過程控制模塊采集故障注入結(jié)果并上傳給上位機(jī)。
[0038]掩碼文件是與FPGA故障注入所需的配置碼流文件等長的二進(jìn)制文件，整個文件由1、0組成；掩碼文件的每一位與配置碼流文件的每一位—對應(yīng),掩碼文件中的一位的值表征了配置碼流文件的該位是否需要進(jìn)行注入；掩碼中一位的值為1，表示配置碼流該位需要進(jìn)行故障注入；反之，表示配置碼流該位不需要進(jìn)行故障注入。
[0039]如圖2所示，故障注入過程控制模塊包括掩碼文件分析模塊、故障注入使能模塊、故障注入終止模塊和故障注入結(jié)果采集模塊；
[0040]掩碼文件分析模塊接收輸入的掩碼文件，每次讀入一幀掩碼，通過對該幀掩碼進(jìn)行分析，如果該幀掩碼全為0，則表明該幀配置碼流數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行故障注入，繼續(xù)讀取下一幀掩碼文件進(jìn)行分析；如果該幀掩碼不全為0，表明該幀數(shù)據(jù)需要進(jìn)行故障注入，則使能故障注入使能模塊，將該幀掩碼發(fā)送給精確故障注入模塊；如果全部掩碼文件均已分析完畢，則使能故障注入終止模塊；故障注入結(jié)果采集模塊采集精確故障注入模塊返回的故障注入結(jié)果信息，當(dāng)故障注入終止模塊使能之后，故障注入結(jié)果采集模塊將采集到的故障注入結(jié)果信息上傳給上位機(jī)。
[0041]如圖3所示，所述精確故障注入模塊包括異或模塊和信息注入模塊；異或模塊將單幀配置碼流文件和故障注入過程控制模塊提供的一幀掩碼數(shù)據(jù)進(jìn)行按位進(jìn)行異或計算，將異或計算后的單幀碼流通過信息注入模塊對FPGA進(jìn)行故障注入。
[0042]所述異或模塊將單幀配置碼流文件和故障注入過程控制模塊提供的一幀掩碼數(shù)據(jù)進(jìn)行按位進(jìn)行異或計算具體為:
[0043]將所述一幀掩碼數(shù)據(jù)的第一位與單幀配置碼流文件的第一位進(jìn)行異或，進(jìn)行異或計算后的配置碼流文件即為進(jìn)行第一次故障注入所用的單幀碼流；
[0044]將所述一幀掩碼數(shù)據(jù)的第二位與單幀配置碼流文件的第二位進(jìn)行異或，進(jìn)行異或計算后的配置碼流文件即為進(jìn)行第二次故障注入所用的單幀碼流；以此類推直到該幀掩碼數(shù)據(jù)所有位均進(jìn)行異或計算完畢；所述單幀配置碼流文件是配置碼流文件中與所述一幀掩碼數(shù)據(jù)所對應(yīng)的部分。
[0045]如圖4所示，本發(fā)明提供的一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入方法，步驟如下:
[0046](I)根據(jù)FPGA片上可編程資源與配置碼流之間的映射關(guān)系生成掩碼文件，掩碼文件可以是包含全部可編程資源的完整資源掩碼文件，也可以是根據(jù)用戶需求選取特定的一種可編程資源或一個可編程資源生成的包含部分可編程資源的部分資源掩碼文件；
[0047](2)對步驟(I)中掩碼文件以數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行分析判斷:讀入一幀掩碼文件，如果該幀掩碼全為0，表明該幀配置碼流不需要進(jìn)行故障注入，重新讀取下一幀掩碼進(jìn)行判斷；如果該幀掩碼不全為0，表明該幀配置碼流需要進(jìn)行故障注入，進(jìn)行步驟(3)；
[0048](3)根據(jù)所述不全為O的該幀掩碼文件，在配置碼流文件中提取與其對應(yīng)的單幀配置碼流；
[0049](4)將所述單幀配置碼流按位依次與相應(yīng)的掩碼位進(jìn)行異或操作，每進(jìn)行一次異或操作，使用異或后的所述單幀配置碼流重新配置FPGA，進(jìn)行故障注入，并收集該位的故障注入結(jié)果；[0050](5)判斷整個掩碼文件是否已經(jīng)讀取完畢，如果沒有，返回步驟(2)繼續(xù)讀取下一幀掩碼進(jìn)行判斷；如果讀取完畢，故障注入結(jié)束，將故障注入結(jié)果上傳給上位機(jī)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng),其特征在于包括:掩碼文件產(chǎn)生模塊、故障注入過程控制模塊和精確故障注入模塊； 掩碼文件產(chǎn)生模塊根據(jù)FPGA片上可編程資源與配置碼流之間的映射關(guān)系生成掩碼文件，并將掩碼文件提供給故障注入過程控制模塊， 故障注入過程控制模塊對接收到的掩碼文件按數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行分析處理，再將掩碼數(shù)據(jù)幀提供給精確故障注入模塊；精確故障注入模塊根據(jù)接收到的掩碼數(shù)據(jù)幀，生成包括故障信息的單幀碼流并注入FPGA中，故障注入過程控制模塊采集故障注入結(jié)果并上傳給上位機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng)，其特征在于:所述掩碼文件是與FPGA故障注入所需的配置碼流文件等長的二進(jìn)制文件，整個文件由1、0組成；掩碼文件的每一位與配置碼流文件的每一位--對應(yīng),掩碼文件中的一位的值表征了配置碼流文件的該位是否需要進(jìn)行注入；掩碼中一位的值為1，表示配置碼流該位需要進(jìn)行故障注入；反之，表示配置碼流該位不需要進(jìn)行故障注入。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入方法，其特征在于:所述故障注入過程控制模塊包括掩碼文件分析模塊、故障注入使能模塊、故障注入終止模塊和故障注入結(jié)果采集模塊； 掩碼文件分析模塊接收輸入的掩碼文件，每次讀入一幀掩碼，通過對該幀掩碼進(jìn)行分析，如果該幀掩碼全為O，則表明該幀配置碼流數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行故障注入，繼續(xù)讀取下一幀掩碼文件進(jìn)行分析；如果該幀掩碼不全為O，表明該幀數(shù)據(jù)需要進(jìn)行故障注入，則使能故障注入使能模塊，將該幀掩碼發(fā)送給精確故障注入模塊；如果全部掩碼文件均已分析完畢，則使能故障注入終止模塊；故障注入結(jié)果采集模塊采集精確故障注入模塊返回的故障注入結(jié)果信息，當(dāng)故障注入終止模塊使能之后，故障注入結(jié)果采集模塊將采集到的故障注入結(jié)果信息上傳給上位機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng)，其特征在于:所述精確故障注入模塊包括異或模塊和信息注入模塊；異或模塊將單幀配置碼流文件和故障注入過程控制模塊提供的一幀掩碼數(shù)據(jù)進(jìn)行按位進(jìn)行異或計算，將異或計算后的單幀碼流通過信息注入模塊對FPGA進(jìn)行故障注入。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入系統(tǒng)，其特征在于:所述異或模塊將單幀配置碼流文件和故障注入過程控制模塊提供的一幀掩碼數(shù)據(jù)進(jìn)行按位進(jìn)行異或計算具體為: 將所述一幀掩碼數(shù)據(jù)的第一位與單幀配置碼流文件的第一位進(jìn)行異或，進(jìn)行異或計算后的配置碼流文件即為進(jìn)行第一次故障注入所用的單幀碼流； 將所述一幀掩碼數(shù)據(jù)的第二位與單幀配置碼流文件的第二位進(jìn)行異或，進(jìn)行異或計算后的配置碼流文件即為進(jìn)行第二次故障注入所用的單幀碼流；以此類推直到該幀掩碼數(shù)據(jù)所有位均進(jìn)行異或計算完畢；所述單幀配置碼流文件是配置碼流文件中與所述一幀掩碼數(shù)據(jù)所對應(yīng)的部分。
6.一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入方法，其特征在于步驟如下: (1)根據(jù)FPGA片上可編程資源與配置碼流之間的映射關(guān)系生成掩碼文件； (2)對步驟(1)中掩碼文件以數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行分析判斷:讀入一幀掩碼文件，如果該幀掩碼全為O，表明該幀配置碼流不需要進(jìn)行故障注入，重新讀取下一幀掩碼進(jìn)行判斷；如果該幀掩碼不全為O，表明該幀配置碼流需要進(jìn)行故障注入，進(jìn)行步驟(3)； (3)根據(jù)所述不全為O的該幀掩碼文件，在配置碼流文件中提取與其對應(yīng)的單幀配置碼流； (4)將所述單幀配置碼流按位依次與相應(yīng)的掩碼位進(jìn)行異或操作，每進(jìn)行一次異或操作，使用異或后的所述單幀配置碼流重新配置FPGA，進(jìn)行故障注入，并收集該位的故障注入結(jié)果; (5)判斷整個掩碼文件是否已經(jīng)讀取完畢，如果沒有，返回步驟(2)繼續(xù)讀取下一幀掩碼進(jìn)行判斷；如果讀取完畢，故障注入結(jié)束，將故障注入結(jié)果上傳給上位機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于掩碼文件的FPGA精確故障注入方法，其特征在于:所述掩碼文件是與FPGA故障注入所需的配置碼流文件等長的二進(jìn)制文件，整個文件由1、0組成；掩碼文件的每一位與配置碼流文件的每一位--對應(yīng),掩碼文件中的一位的值表征了配置碼流文件的該位是否需要進(jìn)行注入；掩碼中一位的值為1，表示配置碼流該位需要進(jìn)行故障注入；反之 ，表示配置碼流該位不需要進(jìn)行故障注入。
【文檔編號】G01R31/3183GK103901342SQ201410101432
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】周婧, 陳雷, 王碩, 趙元富, 文治平, 李學(xué)武, 陳勛, 孫雷, 陶娟娟 申請人:北京時代民芯科技有限公司, 北京微電子技術(shù)研究所