数字太敏SoC的抗SEU加固设计.pdf

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1、３４卷第１期微电子学与计算机Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．１２０１７年１月ＭＩＣＲＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ＆ＣＯＭＰＵＴＥＲＪａｎｕａｒｙ２０１７数字太敏ＳｏＣ的抗ＳＥＵ加固设计赵昌兵，付方发，肖立伊（哈尔滨工业大学微电子中心，黑龙江哈尔滨１５０００１）摘要：针对航天应用中数字式太阳敏感器高可靠性的要求，对基于Ｌｅｏｎ３处理器平台的数字式太阳敏感器ＳｏＣ在ＲＴＬ级进行抗ＳＥＵ加固设计．出于加固后整个系统速度和面积的考虑，本文针对ＳｏＣ中不同部分采取不同的加固方法，综合使用了三模冗余、ＥＤＡＣ（ＥｒｒｏｒＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎｄＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）电路、ＣＰＵ流水线重启和Ｃ

2、ａｃｈｅ强制不命中等容错方法．使用故障注入的方法测试寄存器文件加固后系统的软错误敏感性，对寄存器加固效果进行评估．并在ＦＰＧＡ上进行原型实现，对比加固前后的速度及开销情况．关键词：数字太敏；ＳｏＣ；ＳＥＵ；故障注入；ＦＰＧＡ中图分类号：ＴＮ３８６文献标识码：Ａ文章编号：１０００－７１８０（２０１７）０１－０００１－０５DOI:10.19304/j.cnki.issn1000-7180.2017.01.001ＳＥＵ－ＴｏｌｅｒａｎｔＤｅｓｉｇｎｆｏｒＤｉｇｉｔａｌＳｕｎＳｅｎｓｏｒＳｏＣＺＨＡＯＣｈａｎｇ－ｂｉｎｇ，ＦＵＦａｎｇ－ｆａ，ＸＩＡＯＬｉ－ｙｉ（Ｍｉｃｒ

3、ｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｅｎｔｅｒ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｉｇｉｔａｌｓｕｎｓｅｎｓｏｒｉｎａｅｒｏｓｐａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅＳＥＵ－ｔｏｌｅｒａｎｔｄｅｓｉｇｎｆｏｒＬｅｏｎ３－ｂａｓｅｄｄｉｇｉｔａｌｓｕｎｓｅｎｓｏｒＳｏＣｉｎＲＴＬｌｅｖｅｌｗａｓｆｕｌｆｉｌｌｅｄ．Ｉｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｐｅｅｄａｎｄｓｉｚｅｏｆｔｈｅｅｎｔｉｒｅｓｙｓｔｅｍ，ｗｅａｄｏｐｔｖａｒｉｏｕｓｓｔｒｅ

4、ｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒｔｓｏｆＳｏＣ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｒｉｐｌｅｍｏｄｕｌａｒｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ，ＥＤＡＣ（ＥｒｒｏｒＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎｄＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）ｃｉｒｃｕｉｔ，ｐｉｐｅｌｉｎｅｒｅｓｔａｒｔｏｆＣＰＵ，ｆｏｒｃｉｎｇｃａｃｈｅｔｏｍｉｓｓ，ｅｔｃ．ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔｏｆｒｅｇｉｓｔｅｒｓ，ｗｅｎｅｅｄｔｈｅｓｏｆｔｅｒｒｏｒｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｇｅｔｔｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｆａｕｌｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｔｅｓｔｏｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈ

5、ｒｅｇｉｓｔｅｒｆｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｉｎＦＰＧＡａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｓｐｅｅｄａｎｄｏｖｅｒｈｅａｄｗｉｔｈｎｏｎ－ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌｓｕｎｓｅｎｓｏｒ；ＳｏＣ；ＳＥＵ；ｆａｕｌｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎ；ＦＰＧＡＳｏＣ通常在片内集成了处理器、存储器以及诸１引言多外设ＩＰ，内部采用总线互联．对不同部分的加固随着微小卫星事业的日益发展，数字式太阳敏需要考虑不同的容错方法．目前常用在ＲＴＬ级的感器ＳｏＣ（以下简称数字太敏ＳｏＣ）因为其体积

6、小、加固方法主要有三模冗余、ＥＤＡＣ编码等．对处理［１］器的容错还可以使用流水线重启、Ｃａｃｈｅ强制不命重量轻、功耗低等一系列优点，被广泛应用于人造卫星等航天领域，它可以实时提供太阳输出角，帮助中等方法．卫星系统进行精确的姿态控制和轨道调整［２］国内外对于面向空间应用的高可靠ＳｏＣ设计．在太都有研究，如文献［３］使用三模冗余、片上ＥＤＡＣ、流空辐射环境中，数字电路系统很容易受到单粒子翻水线重启和强制Ｃａｃｈｅ不命中等措施实现了容错的转（ＳＥＵ）的影响，使电路中的时序单元存储的值发Ｌｅｏｎ３处理器；文献［４］提出使用具有自主知识产权生翻转，导致电路行为异常或者计算

7、结果错误．数字的容错ＩＰ核进行高可靠的ＳｏＣ设计，并使用加固太敏ＳｏＣ计算结果错误，将导致姿态控制系统控制型标准单元库实现了一款３２位的ＲＩＳＣ处理器错误，发生严重后果，对数字太敏ＳｏＣ进行抗ＳＥＵＳｏＣ芯片．本文将首先分析各种容错方法的优缺点加固设计尤为重要．收稿日期：２０１６－０４－１４；修回日期：２０１６－０５－１９２微电子学与计算机２０１７年及适用性，权衡加固后的面积和速度，综合使用各种位ＲＩＳＣ处理器，整型单元有七级流水，并采用指令容错方法，对数字太敏ＳｏＣ进行容错设计，使用仿Ｃａｃｈｅ和数据Ｃａｃｈｅ分离的哈佛结构．整个ＳｏＣ平［５］真软件故障注入的

8、方法对加固效果进行评估，