王艷軍，姜婷婷，張峻瑋

(1.91404部隊(duì) 軟件測(cè)評(píng)中心,河北 秦皇島 066001；2.江蘇自動(dòng)化研究所 信息技術(shù)部,江蘇 連云港 222002)

近年來(lái)，集成電路已經(jīng)融入我們的生活之中，如汽車、手機(jī)、熱水器.軍工方面集成電路被廣泛應(yīng)用于航天、船舶領(lǐng)域[1].集成電路的廣泛應(yīng)用要求其有較高的可靠性與實(shí)時(shí)約束性.可靠性評(píng)估常用的方法有兩種：輻射測(cè)試和故障注入[2-5].輻射測(cè)試可以比較真實(shí)地模擬空間環(huán)境，但是成本高昂，并且實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)[6].故障注入是一種評(píng)價(jià)重要的評(píng)估微處理器和尋找決定可靠性參數(shù)的方法.故障注入方法大致可以分為4類[7]：① 硬件故障注入；② 軟件故障注入；③ 模擬故障注入；④ FPGA故障注入.相對(duì)于硬件故障注入與軟件故障注入[8]，模擬故障注入有更好的可觀察性和可控制性，但模擬故障注入耗時(shí)高，F(xiàn)PGA故障注入既能保證不錯(cuò)的可控制性和可觀察性，還可以加快故障注入測(cè)試.因此基于FPGA的故障注入具有重要的研究?jī)r(jià)值.

目前，基于FPGA的故障注入方法研究主要著眼于兩個(gè)方面：基于配置技術(shù)的研究及基于儀表技術(shù)的研究.基于配置技術(shù)的FPGA故障注入主要是通過(guò)修改FPGA的配置數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障注入實(shí)驗(yàn)來(lái)達(dá)到故障注入的目的.例如王鵬等[9]根據(jù)FPGA配置幀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行分區(qū)測(cè)試，分析配置存儲(chǔ)器中的敏感位，找到FPGA配置幀中最為敏感的區(qū)域，設(shè)計(jì)了故障注入測(cè)試系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證.基于儀表技術(shù)的FPGA故障注入技術(shù)主要是通過(guò)在原來(lái)電路上加上額外的電路進(jìn)行故障注入.這兩種方法都存在一定的問(wèn)題.首先，基于配置技術(shù)的FPGA故障注入雖然注入過(guò)程可控制性和可觀察性都很高，但FPGA需要進(jìn)行重新配置，時(shí)間開銷大.而基于儀表技術(shù)的FPGA故障注入雖然不需要增加時(shí)間開銷，但需要增加額外的空間開銷.為移除主機(jī)與FPGA間的交互時(shí)間，加速故障注入測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)，本文提出一種面向FPGA的故障注入測(cè)試框架，實(shí)現(xiàn)面向FPGA的故障注入技術(shù)研究.

1 故障模型

人類的生活環(huán)境中充滿了宇宙射線、太陽(yáng)的粒子輻射、電磁輻射等[7].在輻射環(huán)境中，集成電路容易受到影響[10-13]，發(fā)生單粒子效應(yīng).單粒子效應(yīng)可以劃分為單粒子翻轉(zhuǎn)(single event upset，SEU)、單粒子閂鎖(single event latch-up，SEL)等[14-15].為了注入SEU缺陷，在元電路中增加額外的電路，如圖1所示，當(dāng)設(shè)置FIS為高電平時(shí)，原輸入信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后的數(shù)值將被輸入觸發(fā)器中.這種方法的好處是在每次進(jìn)行故障注入時(shí)不用進(jìn)行中斷處理，更符合實(shí)際應(yīng)用需求.

2 故障注入測(cè)試架構(gòu)

如圖2所示，面向FPGA的故障注入測(cè)試架構(gòu)主要包含3個(gè)模塊.

① 故障注入管理模塊：這個(gè)模塊負(fù)責(zé)在需要進(jìn)行故障注入時(shí)將FIS置1并觸發(fā)觀察模塊.

② 觀察模塊：當(dāng)觀察模塊被觸發(fā)后，觀察模塊開始從觀察點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，該功能通過(guò)觀察電路實(shí)現(xiàn).

③ 結(jié)果分析模塊：當(dāng)觀察模塊記錄到兩組實(shí)驗(yàn)后開始觸發(fā)結(jié)果分析模塊.其中，第一組是無(wú)故障運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，第二組是故障注入實(shí)驗(yàn).結(jié)果分析模塊比較兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果，并報(bào)告測(cè)試結(jié)果.

2.1 故障注入管理

故障注入模塊負(fù)責(zé)管理和執(zhí)行故障注入測(cè)試實(shí)驗(yàn).該模塊在剛開始時(shí)設(shè)置故障注入定時(shí)器.設(shè)置定時(shí)器后，模塊開始計(jì)數(shù)直到達(dá)到預(yù)定的故障注入時(shí)間.最后，決定是否進(jìn)行故障注入(通過(guò)設(shè)置FIS來(lái)實(shí)現(xiàn)).在這里，交替運(yùn)行故障注入實(shí)驗(yàn)和無(wú)故障運(yùn)行(無(wú)故障注入)實(shí)驗(yàn).無(wú)故障運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)比較的基準(zhǔn).在實(shí)際操作時(shí)，也可以在幾個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行無(wú)故障運(yùn)行實(shí)驗(yàn).設(shè)置相同的輸入波形和時(shí)鐘周期，運(yùn)行故障注入實(shí)驗(yàn).這樣的好處是可以避免記錄所有的故障、無(wú)故障數(shù)據(jù).

2.2 觀察

當(dāng)觀察模塊被觸發(fā)后，模塊開始從觀察點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，觀察電路如圖3所示.在實(shí)驗(yàn)中，無(wú)故障運(yùn)行和故障實(shí)驗(yàn)交替運(yùn)行，用無(wú)故障運(yùn)行觸發(fā)器來(lái)區(qū)分它們.無(wú)故障運(yùn)行和故障運(yùn)行實(shí)驗(yàn)一共會(huì)產(chǎn)生兩種路徑.用加法電路將新觀察到的結(jié)果與原先觀察到的結(jié)果相加.這里用加法器的原因是如果觀察的數(shù)據(jù)與無(wú)故障運(yùn)行結(jié)果不同，它會(huì)影響到加法結(jié)果，并且更容易產(chǎn)生兩組不同的結(jié)果.

我們通常假設(shè)故障注入會(huì)維持幾個(gè)時(shí)鐘周期，這樣我們僅需要記錄這幾個(gè)時(shí)鐘周期的數(shù)據(jù)，便能大大加速故障注入實(shí)驗(yàn).

2.3 結(jié)果分析

當(dāng)觀察模塊記錄到兩組實(shí)驗(yàn)后開始觸發(fā)結(jié)果分析模塊.它僅比較無(wú)故障運(yùn)行與故障寄存器，然后提取故障統(tǒng)計(jì)信息.它的工作主要是找出兩組數(shù)據(jù)中的不同值，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì).

3 故障注入過(guò)程

(1) 故障注入管理器設(shè)置定時(shí)器與無(wú)故障觸發(fā)器.故障注入管理器首先檢查無(wú)故障觸發(fā)器，如果它為1，根據(jù)故障注入時(shí)間與實(shí)驗(yàn)時(shí)間為定時(shí)器設(shè)置新值.如果觸發(fā)器為0，定時(shí)器保持在之前無(wú)故障運(yùn)行時(shí)的數(shù)值.(2) 故障注入定時(shí)器開始進(jìn)行定時(shí),直到數(shù)值變?yōu)?.(3) 故障定時(shí)器變成0后，故障注入管理器開始檢查無(wú)故障觸發(fā)器，如果它是0，故障注入管理器將FIS置為1.(4)故障注入管理器觸發(fā)觀察模塊，觀察模塊設(shè)置觀察計(jì)時(shí)器并且開始記錄觀察值.觀察計(jì)時(shí)器決定觀察電路的觀察時(shí)間.(5)如果觀察時(shí)間變成0，檢查無(wú)故障觸發(fā)器為0還是為1.如果無(wú)故障觸發(fā)器為1，觀察模塊將無(wú)故障觸發(fā)器清空，執(zhí)行過(guò)程將從步驟(1)重新開始.

4 結(jié)論

首先，通過(guò)幾種故障注入方法的對(duì)比分析，強(qiáng)調(diào)了基于FPGA的故障注入方法研究的重要性；其次，提出了一種面向FPGA的故障注入測(cè)試框架架構(gòu)，包括管理、觀察及結(jié)果分析等模塊；最后，對(duì)故障注入過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并給出相關(guān)結(jié)論.在后續(xù)工作中，將進(jìn)一步對(duì)該注入方法進(jìn)行研究，將其擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，爭(zhēng)取應(yīng)用到復(fù)雜裝備系統(tǒng)的故障注入研究.