鄭敏 吳剛 鄭小松江西理工大學(xué)

視頻處理芯片ADV212單粒子翻轉(zhuǎn)影響分析及故障預(yù)案

鄭敏 吳剛 鄭小松
江西理工大學(xué)

ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的ADV212可以實(shí)現(xiàn)JPEG2000 靜止圖像壓縮編碼的集成運(yùn)算，由于其為工業(yè)級(jí)COMS器件，若用在空間領(lǐng)域，屬于單粒子效應(yīng)的影響對(duì)象。文章針對(duì)此器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性，具體分析了其在發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)所受到的影響，并針對(duì)不同的錯(cuò)誤類(lèi)型提出對(duì)應(yīng)的解決措施，形成完整的故障預(yù)案。

ADV212單粒子 翻轉(zhuǎn)影響

AD（ANALOG DEVICES）公司生產(chǎn)的ADV212，可以實(shí)現(xiàn)JPEG2000 靜止圖像壓縮編碼的集成運(yùn)算。單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU，Single Event Upset）是發(fā)生在具有單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)的邏輯器件和邏輯電路的一種帶電粒子輻射效應(yīng)。SEU 是單個(gè)高能粒子電離的結(jié)果或高能質(zhì)子核反應(yīng)的產(chǎn)物，會(huì)引起器件電性能狀態(tài)的改變，造成邏輯器件或電路的邏輯錯(cuò)誤。該效應(yīng)是非破壞性的，可通過(guò)重寫(xiě)受影響單元（將其觸發(fā)回所希望的狀態(tài)）修正。ADV212是工業(yè)級(jí)COMS器件，如果用在空間領(lǐng)域，屬于單粒子效應(yīng)的影響對(duì)象。文章針對(duì)此器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性，具體分析了其在發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)所受到的影響，并針對(duì)不同的錯(cuò)誤類(lèi)型提出對(duì)應(yīng)的解決措施，形成完整的故障預(yù)案。

1 ADV212內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能介紹

如圖1所示，ADV212內(nèi)部包括一個(gè)專(zhuān)門(mén)的小波運(yùn)算處理器（WAVELET ENGINE），三個(gè)熵編碼器（EC1，EC2，EC3），一個(gè)片內(nèi)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)（R AM，R OM），一個(gè)嵌入式R ISC處理器（EMBEDDED R ISCP R OCESSO R SYSYEM），內(nèi)部總線DMA控制（INTE R NALBUSAND DMAENGINE），內(nèi)部FIFO（包括相機(jī)數(shù)據(jù)FIFO（PIXEL FIFO），碼流FIFO（CODEFIFO），特征數(shù)據(jù)FIFO（ATT R FIFO）），外部DMA控制器（EXTE R NAL DMACT R L），相機(jī)數(shù)據(jù)接口（PIXEL I /F）。小波運(yùn)算處理器可以實(shí)現(xiàn)9 /7 不可逆小波，5/3 可逆和不可逆小波。熵編碼器能支持JPEG2000 中除R OI 之外的部分。

在典型編碼應(yīng)用中，視頻或相機(jī)數(shù)據(jù)從ADV212的像機(jī)數(shù)據(jù)接口輸入。有效數(shù)據(jù)進(jìn)入小波運(yùn)算器進(jìn)行5 /3 或9 /7 小波變換，得到的小波系數(shù)寫(xiě)入內(nèi)部存儲(chǔ)器。熵編碼器對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行編碼以適應(yīng)JPEG2000 標(biāo)準(zhǔn)。

在編碼模式下：

（1）小波運(yùn)算器對(duì)輸入的數(shù)據(jù)，進(jìn)行小波變換，將小波系數(shù)寫(xiě)入內(nèi)部存儲(chǔ)器。每個(gè)子帶被進(jìn)一步分解為碼塊。使用者自己定義碼塊的尺寸，而小波處理器負(fù)責(zé)將子帶分解為碼塊并寫(xiě)入內(nèi)部存儲(chǔ)器。隨后熵編碼器對(duì)這些碼塊進(jìn)行編碼。

（2）每個(gè)熵編碼塊根據(jù)小波系數(shù)碼塊的上下文聯(lián)系，進(jìn)行算術(shù)編碼。

（3）嵌入式32-bit RISC處理器負(fù)責(zé)專(zhuān)門(mén)硬件功能的配置，控制和操作。

（4）存儲(chǔ)器系統(tǒng)分為R AM和R OM。R OM用于存儲(chǔ)不可更改的嵌入式處理器的程序固件。R AM內(nèi)分為兩個(gè)區(qū)，配置區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。配置區(qū)開(kāi)辟有16個(gè)直接寄存器（地址為0X00-0X0F）和32- bit 間接寄存器（地址為0X00000000-0XFFFFFFFF），用于存儲(chǔ)ADV212的硬件算法的配置數(shù)據(jù)（包括基礎(chǔ)硬件配置參數(shù)，程序固件，編解碼參數(shù)），這些配置數(shù)據(jù)由使用者定義并寫(xiě)入。數(shù)據(jù)區(qū)的主要功能是存儲(chǔ)小波系數(shù)數(shù)據(jù)，臨時(shí)碼塊和特征數(shù)據(jù)，提供建立分解存儲(chǔ)碼流的臨時(shí)工作區(qū)。

（5）內(nèi)部DMA控制器可以進(jìn)行高速的存儲(chǔ)器對(duì)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)交換，以及存儲(chǔ)器與功能模塊之間的交換。

（6）FIFO用于寫(xiě)入相機(jī)數(shù)據(jù)（PIXEL FIFO），碼流數(shù)據(jù)（CODE FIFO）和特征數(shù)據(jù)（ATT R FIFO）。使用普通讀寫(xiě)操作，可以從HOST 接口直接訪問(wèn)這些FIFO，或者使用D R EQ/DACK 協(xié)議，通過(guò)外部hostDMA訪問(wèn)，或者通過(guò)專(zhuān)門(mén)的硬件握手協(xié)議進(jìn)行訪問(wèn)。

2 ADV212可采取的單粒子翻轉(zhuǎn)的防護(hù)措施

PIXEL FIFO中發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則某些相機(jī)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，錯(cuò)誤位不固定。圖像會(huì)發(fā)生點(diǎn)狀錯(cuò)誤，由于FIFO在不停地寫(xiě)入正確數(shù)據(jù)，所以可以恢復(fù)，可采用的措施有；

（1）在芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，操作系統(tǒng)的內(nèi)核及預(yù)期不再更改的程序放在R OM區(qū)；

（2）可編程的初始化程序及系統(tǒng)中斷向量駐留在R AM區(qū)；

（3）初始化配置ADV212所需的程序固件存儲(chǔ)在外部器件中。

（4）在FPGA對(duì)ADV212的控制程序中，設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)于ADV212輸出的監(jiān)測(cè)信號(hào)，一旦ADV212發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，停止工作，F(xiàn)PGA就可檢測(cè)到這一情況，并重新對(duì)ADV212發(fā)送復(fù)位，使其重新配置。

3 ADV212發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的影響及應(yīng)對(duì)措施

3.1 內(nèi)部R AM發(fā)生翻轉(zhuǎn)

3.1.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)發(fā)生翻轉(zhuǎn)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)存放的是可能在編碼變換過(guò)程任意階段的數(shù)據(jù)，如果發(fā)生翻轉(zhuǎn)，圖像發(fā)生錯(cuò)誤，錯(cuò)誤類(lèi)型沒(méi)有規(guī)律，壓縮輸出的時(shí)鐘和門(mén)控正常。由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)不停更新，所以可以恢復(fù)，因此不需外部干預(yù)。對(duì)應(yīng)于表1中的A條款。

如果是標(biāo)志字等數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，則相關(guān)碼流無(wú)法解壓，會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)無(wú)恢復(fù)圖像的現(xiàn)象。如果輸出門(mén)控正常，對(duì)應(yīng)于表1中的C條款。輸出門(mén)控也可能異常，當(dāng)AOS檢測(cè)到門(mén)控異常時(shí)會(huì)復(fù)位，則會(huì)丟幀。由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)不停更新，所以可以恢復(fù)，因此不需外部干預(yù)。對(duì)應(yīng)于表1中的b 條款。

3.1.2 程序配置區(qū)發(fā)生翻轉(zhuǎn)

程序配置區(qū)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則某些配置數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，錯(cuò)誤位不固定?？赡芤鹋渲檬?，或配置成錯(cuò)誤的工作狀態(tài)，進(jìn)而引起恢復(fù)圖像錯(cuò)誤。

（1）ADV212仍然可以工作，輸出碼流錯(cuò)誤，輸出門(mén)控異常，當(dāng)AOS檢測(cè)到門(mén)控異常時(shí)會(huì)復(fù)位，則會(huì)丟幀，錯(cuò)誤狀態(tài)無(wú)法自行恢復(fù)。地面幀同步器中不能找到該壓縮板相應(yīng)通道的對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)。此時(shí)，需要通過(guò)下位機(jī)向壓縮發(fā)出復(fù)位指令，使ADV212重新復(fù)位配置，則可恢復(fù)正常。對(duì)應(yīng)于表1中的e條款所示。

（2）ADV212仍然可以工作，輸出碼流錯(cuò)誤，輸出門(mén)控正常，但輸出碼流無(wú)法解壓，錯(cuò)誤無(wú)法自行恢復(fù)，此時(shí)，地面幀同步器中該壓縮板相應(yīng)通道的對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)正常，但無(wú)恢復(fù)圖像。此時(shí)，需要通過(guò)下位機(jī)向壓縮發(fā)出復(fù)位指令，使ADV212重新復(fù)位配置。則可恢復(fù)正常。對(duì)應(yīng)于表1中的f 條款。

（3）ADV212仍然可以工作，輸出碼流錯(cuò)誤，輸出門(mén)控正常，解壓恢復(fù)出錯(cuò)誤圖像，且不能恢復(fù)。此時(shí)，需要通過(guò)下位機(jī)向壓縮發(fā)出復(fù)位指令，使ADV212重新復(fù)位配置。則可恢復(fù)正常。對(duì)應(yīng)于表1中的d 條款。

（4）ADV212無(wú)法工作，無(wú)恢復(fù)圖像，壓縮有時(shí)鐘輸出，無(wú)門(mén)控和數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)AOS檢測(cè)到無(wú)門(mén)控時(shí)會(huì)復(fù)位，則會(huì)丟幀，地面幀同步器中不能找到該壓縮板相應(yīng)通道的對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)。FPGA檢測(cè)到ADV212無(wú)輸出后，會(huì)重新給ADV212發(fā)復(fù)位指令，復(fù)位指令使ADV212重新配置，可以恢復(fù)正常狀態(tài)，因此不需外部干預(yù)。對(duì)應(yīng)于表1中的b 條款。

3.2 FIFO發(fā)生翻轉(zhuǎn)

3.2.1 PIXEL FIFO發(fā)生翻轉(zhuǎn)

PIXEL FIFO中發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則某些相機(jī)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，錯(cuò)誤位不固定。圖像會(huì)發(fā)生點(diǎn)狀或塊狀錯(cuò)誤，錯(cuò)誤的形狀和出現(xiàn)頻率沒(méi)有固定規(guī)律。壓縮輸出的時(shí)鐘和門(mén)控正常。由于FIFO在不停地寫(xiě)入正確數(shù)據(jù)，所以可以恢復(fù)，因此不需外部干預(yù)。對(duì)應(yīng)于表1中的A條款。

3.2.2 CODE FIFO發(fā)生翻轉(zhuǎn)

CODE FIFO發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則壓縮碼流中的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，錯(cuò)誤位不固定。恢復(fù)圖像會(huì)發(fā)生點(diǎn)狀或塊狀錯(cuò)誤，錯(cuò)誤的形狀和出現(xiàn)頻率沒(méi)有固定規(guī)律： 如果是標(biāo)志字等數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，則相關(guān)碼流無(wú)法解壓，會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)無(wú)恢復(fù)圖像的現(xiàn)象。壓縮輸出的時(shí)鐘和門(mén)控正常。由于FIFO在不停地寫(xiě)入正確數(shù)據(jù)，所以可以恢復(fù)，因此不需外部干預(yù)。對(duì)應(yīng)于表1中的A條款。如果是標(biāo)志字等數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，則相關(guān)碼流無(wú)法解壓，會(huì)暫時(shí)出現(xiàn)無(wú)恢復(fù)圖像的現(xiàn)象。如果輸出門(mén)控正常，對(duì)應(yīng)于表1中的C條款。輸出門(mén)控也可能異常，當(dāng)AOS檢測(cè)到門(mén)控異常時(shí)會(huì)復(fù)位，則會(huì)丟幀。由于FIFO在不停地寫(xiě)入正確數(shù)據(jù)，所以可以恢復(fù)，因此不需外部干預(yù)。對(duì)應(yīng)于表1中的b條款。

3.2.3 ATT R FIFO發(fā)生翻轉(zhuǎn)

ATT R FIFO發(fā)生翻轉(zhuǎn)，則某些配置數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤，錯(cuò)誤位不固定?？赡芤鹋渲檬。蚺渲缅e(cuò)誤進(jìn)而引起解碼圖像錯(cuò)誤。具體錯(cuò)誤分析與3.1.2類(lèi)似。

3.3 內(nèi)部固定邏輯發(fā)生 翻轉(zhuǎn)

ADV212內(nèi)部的固定邏輯的區(qū)域包括小波處理單元，熵編碼器EC1、EC2、EC3，外部DMA控制器，嵌入式R ISC處理器系統(tǒng)，內(nèi)部R OM。這些區(qū)域發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，可能引起ADV212內(nèi)部程序跑飛，無(wú)法正常工作或無(wú)法工作，錯(cuò)誤情況具體分析與3.1.2類(lèi)似，但是由于這些區(qū)域在翻轉(zhuǎn)已發(fā)生后，無(wú)法通過(guò)外部重新寫(xiě)入觸發(fā)恢復(fù)正確狀態(tài)，因此不能自行恢復(fù)，也不能通過(guò)下位機(jī)發(fā)送復(fù)位指令恢復(fù)。

ADV212在斷電之后，芯片內(nèi)部的電場(chǎng)消失，輻射產(chǎn)生的載流子經(jīng)過(guò)一段時(shí)間逐漸消散，此時(shí)重新加電，則芯片內(nèi)部正常載流子恢復(fù)正常分布，ADV212可恢復(fù)正常工作狀態(tài)。因此，內(nèi)部固定邏輯發(fā)生翻轉(zhuǎn)后，需要將壓縮斷電后一段時(shí)間后重新加電。對(duì)應(yīng)于表1中的g，h，i 條款。

4 發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)后可采取的應(yīng)對(duì)措施

表1給出ADV212發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。5 總結(jié)5

JPEG2000 視頻處理芯片ADV212越來(lái)越多應(yīng)用于空間領(lǐng)域，成為空間領(lǐng)域圖像壓縮的主流發(fā)展方向。文章針對(duì)ADV212的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性，具體分析了該芯片在發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)所受到的影響，提出了可行的防護(hù)方法，并針對(duì)不同的錯(cuò)誤類(lèi)型提出對(duì)應(yīng)的解決措施，形成完整的故障預(yù)案。對(duì)于該芯片在空間領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。