单粒子翻转效应的FPGA模拟技术 （下）

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旁路威廉希尔官方网站 注入故障

旁路威廉希尔官方网站 技术的实现原理和扫描链技术类似，在原有的威廉希尔官方网站 结构上添加附加威廉希尔官方网站 来使威廉希尔官方网站 能够模拟单粒子翻转效应 ^[25-26]^ 。以寄存器为例，在正常状态下寄存器保持其原本的功能，在故障注入模式下通过外部控制信号驱动附加威廉希尔官方网站 从旁路修改寄存器的数值。

文献[27]介绍了一种旁路威廉希尔官方网站 注入故障的威廉希尔官方网站 结构，基于Xilinx Virtex-5的FPGA实现，带旁路威廉希尔官方网站 的寄存器结构如图4所示。该威廉希尔官方网站 在原本的寄存器结构上添加了3个查找表（Look-Up-Table, LUT）和额外的输入信号，修改寄存器的复位信号SR（Set/Reset）和翻转信号REV（REVerse）的输入值来实现故障注入功能。默认模式下寄存器对应的真值表如表1所示。

表1 默认模式寄存器真值表

图4中，输入信号inj为故障注入使能信号，Original_CE、Original_R和Original_S分别连接寄存器原始的时钟使能CE、复位Reset和置位Set信号。如果inj为0，该寄存器等同于普通的寄存器，而inj为1时，3个查找表就会根据寄存器的输出值Q生成相反的值并写入寄存器。

图4 带旁路威廉希尔官方网站 的寄存器结构

文献[28]的威廉希尔官方网站 修改方式更加简单，仅在原始寄存器结构上增加了一个异或门。替换前后的寄存器结构如图5所示。当故障注入信号Inject信号为高电平时，寄存器的输入端数据会发生翻转，而Inject信号为低电平时，寄存器的输入端数据保持原始状态。和文献[27]相比，区别在于故障注入时，文献[28]的寄存器数值一定会进行翻转，而文献[27]则可以模拟更加复杂的情况，因为单粒子翻转效应在作用于寄存器时有固定0、固定1和翻转3种情况，并不一定会导致翻转。但是，文献[28]的威廉希尔官方网站 结构的资源开销比文献[27]小得多，具备一定的优势。

文献[29-30]介绍了另一种旁路威廉希尔官方网站 的实现方式，通过对威廉希尔官方网站 综合后的网表进行修改，将原有的器件库全部替换成为附加故障注入功能的器件库，其中包括寄存器、随机存取存储器(Random Access Memory, RAM)、查找表、逻辑门以及乘法器等，更新后的网表的时序逻辑部分不会受到影响，只是添加了故障注入相关的组合逻辑模块。但其实现过程较为复杂，器件库的修改需要耗费大量的时间进行功能和时序验证。同时器件库和FPGA型号是紧密联系的，更替FPGA芯片将可能导致器件库无法使用，因此迁移性较差。

和扫描链技术相比，旁路威廉希尔官方网站 技术省去了串行移位故障数据的过程，故障直接注入到待评估寄存器中，从而提高了故障注入速度。旁路威廉希尔官方网站 同样可适用于任意规模威廉希尔官方网站 ，而且可以针对威廉希尔官方网站 中的其他存储元件（LUT、RAM等）设计故障威廉希尔官方网站 ，适用范围更广，故障敏感节点的定位精度也高于扫描链。其主要缺陷会带来额外的资源开销，此外还可能增加关键路径的延时，对时序造成负面影响。

除了故障注入速度的差异，文献[31]同样提到了数据交互过程造成的庞大时间开销，文中基于RS232传输故障激励数据，传输速度配置为115 kbit/s，单次数据传输过程需花费14 ms，而故障注入执行过程仅占2 ms，因此导致故障注入速度偏慢。

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故障注入方式对比和展望

5.1 故障注入方式对比

FPGA模拟技术主要用于评估超大规模集成威廉希尔官方网站 设计对单粒子翻转效应的敏感性。因此本文从评估速度、威廉希尔官方网站 开销和敏感点定位精度3个方面进行对比，故障注入方式具体性能对比如表2所示。

表2 故障注入方式性能对比

FPGA模拟技术中的重配置技术存在速度瓶颈，虽然通过部分重配置可以显著提高效率，但是与修改威廉希尔官方网站 结构的方式相比较，重配置技术故障注入速度稍慢。若基于扫描链去实现，其串行移位的故障注入模式会带来一定的时间开销。而旁路威廉希尔官方网站 方式可使得威廉希尔官方网站 即时响应故障，不会产生额外的时间开销。

在威廉希尔官方网站 开销方面，由于重配置所需要的硬件威廉希尔官方网站 都固化在FPGA芯片内部，所以额外需要的威廉希尔官方网站 开销是最小的。考虑到扫描链可以复用可测性设计的扫描链结构，所以威廉希尔官方网站 开销稍低。威廉希尔官方网站 开销最大的是旁路威廉希尔官方网站 ，因为每个寄存器外围都需要配备译码选通威廉希尔官方网站 和故障注入威廉希尔官方网站 ，但是随着FPGA的技术开发，单LUT威廉希尔官方网站 能够实现的功能愈加复杂，其占用的威廉希尔官方网站 开销比例也可以不断下降。

在敏感点定位精度上，由于配置文件格式不公开，多数研究采取随机注入或是遍历式注入，但是注入故障后难以在最初的原始设计文件中定位故障节点，这对评估工作非常不友好，难以指导后续的改进工作。由于扫描链是串行结构，定位需要依赖输入激励和输出响应的先后顺序，这会和评估速度形成互相制约的关系。因为如果注入速度过快，对准确采样高速输出响应的工作会提出很高的要求。旁路威廉希尔官方网站 由于具有专用接口威廉希尔官方网站 ，因此即使在高速注入情况下，也能准确定位注入故障的位置。

5.2 故障注入方式展望

重配置、扫描链和旁路威廉希尔官方网站 3种方法的实现结构不一样，优化的思路也会有所不同。

重配置在评估速度上表现不佳，主要是由于上位机和FPGA之间频繁通信造成较大的时间开销。如何让测试激励以更快的速度配置到FPGA中是未来的提高方向。采用DDR缓存测试激励，以及采用类似Xilinx ZYNQ架构的芯片作为测试平台，都是可行的方式。在确定注入故障定位上，可行的思路有对比配置文件格式和配置后器件位置，对配置文件进行破解。但是需要按照威廉希尔官方网站 版图结构从大到小逐次解析，并区分LUT、RAM等多种存储元件，工作量比较庞大 ^[32]^ ，所以重配置技术的改善工作更适合FPGA设计厂商实施。

在有可测性设计的威廉希尔官方网站 中，扫描链技术是非常合理的选择。但是，为了提高测试效率，如何压缩测试激励的数量，以及测试响应的高效对比，是扫描链技术未来的发展方向。此外，扫描链的威廉希尔官方网站 结构也可以进行一定的优化，主要在提高运行速度和降低开销两方面进行针对性的改进，扩充可测性设计的研究范畴。

旁路威廉希尔官方网站 的改进方向是进一步压低威廉希尔官方网站 开销。这方面可以考虑相邻威廉希尔官方网站 之间复用故障注入威廉希尔官方网站 ，从而降低威廉希尔官方网站 开销。需要注意的是，旁路威廉希尔官方网站 往往和测试平台的器件库密切相关，所以未来在设计威廉希尔官方网站 时可以将威廉希尔官方网站 修改方式设计成通用脚本，通过算法和器件库建立联系，从而增加其适用范围。

此外，由于3种方案的优势各不相同，未来的评估平台也可以结合多种方式。比如可利用旁路威廉希尔官方网站 故障注入的准确性弥补重配置技术的精度缺陷，提高注入速度，同时也可以通过重配置技术避免旁路威廉希尔官方网站 相关故障注入模块的资源开销。这样不仅平台的评估效率有所提高，评估威廉希尔官方网站 的适用范围也变得更加广泛。

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** 总 结 **

随着集成威廉希尔官方网站 工艺迈入纳米时代，现有FPGA模拟技术面临的最大挑战是待评估威廉希尔官方网站 规模过于庞大导致评估时间大幅增加。如何在设计资源允许的情况下，尽可能提高模拟单粒子翻转效应的故障注入速度，并尽可能确定待评估威廉希尔官方网站 中SEU敏感区位置，是FPGA模拟单粒子翻转效应的重要研究方向。从上述内容可以看出，重配置、扫描链和旁路威廉希尔官方网站 技术假以时日，均能在评估速度、威廉希尔官方网站 开销和定位精度等性能指标上取得进展，使之更适合用于评估超大规模集成威廉希尔官方网站 设计对单粒子翻转效应的敏感性。