視頻處理芯片ADV212單粒子翻轉影響分析及故障預案

鄭敏 吳剛 鄭小松江西理工大學

視頻處理芯片ADV212單粒子翻轉影響分析及故障預案

鄭敏 吳剛 鄭小松
江西理工大學

ANALOG DEVICES公司生產的ADV212可以實現JPEG2000 靜止圖像壓縮編碼的集成運算，由于其為工業級COMS器件，若用在空間領域，屬于單粒子效應的影響對象。文章針對此器件的內部結構和特性，具體分析了其在發生單粒子翻轉時所受到的影響，并針對不同的錯誤類型提出對應的解決措施，形成完整的故障預案。

ADV212單粒子 翻轉影響

AD（ANALOG DEVICES）公司生產的ADV212，可以實現JPEG2000 靜止圖像壓縮編碼的集成運算。單粒子翻轉（SEU，Single Event Upset）是發生在具有單穩態或雙穩態的邏輯器件和邏輯電路的一種帶電粒子輻射效應。SEU 是單個高能粒子電離的結果或高能質子核反應的產物，會引起器件電性能狀態的改變，造成邏輯器件或電路的邏輯錯誤。該效應是非破壞性的，可通過重寫受影響單元（將其觸發回所希望的狀態）修正。ADV212是工業級COMS器件，如果用在空間領域，屬于單粒子效應的影響對象。文章針對此器件的內部結構和特性，具體分析了其在發生單粒子翻轉時所受到的影響，并針對不同的錯誤類型提出對應的解決措施，形成完整的故障預案。

1 ADV212內部結構及功能介紹

如圖1所示，ADV212內部包括一個專門的小波運算處理器（WAVELET ENGINE），三個熵編碼器（EC1，EC2，EC3），一個片內的存儲器系統（R AM，R OM），一個嵌入式R ISC處理器（EMBEDDED R ISCP R OCESSO R SYSYEM），內部總線DMA控制（INTE R NALBUSAND DMAENGINE），內部FIFO（包括相機數據FIFO（PIXEL FIFO），碼流FIFO（CODEFIFO），特征數據FIFO（ATT R FIFO）），外部DMA控制器（EXTE R NAL DMACT R L），相機數據接口（PIXEL I /F）。小波運算處理器可以實現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。

在典型編碼應用中，視頻或相機數據從ADV212的像機數據接口輸入。有效數據進入小波運算器進行5 /3 或9 /7 小波變換，得到的小波系數寫入內部存儲器。熵編碼器對小波系數進行編碼以適應JPEG2000 標準。

在編碼模式下：

（1）小波運算器對輸入的數據，進行小波變換，將小波系數寫入內部存儲器。每個子帶被進一步分解為碼塊。使用者自己定義碼塊的尺寸，而小波處理器負責將子帶分解為碼塊并寫入內部存儲器。隨后熵編碼器對這些碼塊進行編碼。

（2）每個熵編碼塊根據小波系數碼塊的上下文聯系，進行算術編碼。

（3）嵌入式32-bit RISC處理器負責專門硬件功能的配置，控制和操作。

（4）存儲器系統分為R AM和R OM。R OM用于存儲不可更改的嵌入式處理器的程序固件。R AM內分為兩個區，配置區和數據區。配置區開辟有16個直接寄存器（地址為0X00-0X0F）和32- bit 間接寄存器（地址為0X00000000-0XFFFFFFFF），用于存儲ADV212的硬件算法的配置數據（包括基礎硬件配置參數，程序固件，編解碼參數），這些配置數據由使用者定義并寫入。數據區的主要功能是存儲小波系數數據，臨時碼塊和特征數據，提供建立分解存儲碼流的臨時工作區。

（5）內部DMA控制器可以進行高速的存儲器對存儲器的數據交換，以及存儲器與功能模塊之間的交換。

（6）FIFO用于寫入相機數據（PIXEL FIFO），碼流數據（CODE FIFO）和特征數據（ATT R FIFO）。使用普通讀寫操作，可以從HOST 接口直接訪問這些FIFO，或者使用D R EQ/DACK 協議，通過外部hostDMA訪問，或者通過專門的硬件握手協議進行訪問。

2 ADV212可采取的單粒子翻轉的防護措施

PIXEL FIFO中發生翻轉，則某些相機數據錯誤，錯誤位不固定。圖像會發生點狀錯誤，由于FIFO在不停地寫入正確數據，所以可以恢復，可采用的措施有；

（1）在芯片內部結構中，操作系統的內核及預期不再更改的程序放在R OM區；

（2）可編程的初始化程序及系統中斷向量駐留在R AM區；

（3）初始化配置ADV212所需的程序固件存儲在外部器件中。

（4）在FPGA對ADV212的控制程序中，設計一個對于ADV212輸出的監測信號，一旦ADV212發生單粒子翻轉，停止工作，FPGA就可檢測到這一情況，并重新對ADV212發送復位，使其重新配置。

3 ADV212發生單粒子翻轉時產生的影響及應對措施

3.1 內部R AM發生翻轉

3.1.1 數據存儲區發生翻轉

數據存儲區存放的是可能在編碼變換過程任意階段的數據，如果發生翻轉，圖像發生錯誤，錯誤類型沒有規律，壓縮輸出的時鐘和門控正常。由于數據存儲區數據不停更新，所以可以恢復，因此不需外部干預。對應于表1中的A條款。

如果是標志字等數據發生錯誤，則相關碼流無法解壓，會暫時出現無恢復圖像的現象。如果輸出門控正常，對應于表1中的C條款。輸出門控也可能異常，當AOS檢測到門控異常時會復位，則會丟幀。由于數據存儲區的數據不停更新，所以可以恢復，因此不需外部干預。對應于表1中的b 條款。

3.1.2 程序配置區發生翻轉

程序配置區發生翻轉，則某些配置數據發生錯誤，錯誤位不固定。可能引起配置失敗，或配置成錯誤的工作狀態，進而引起恢復圖像錯誤。

（1）ADV212仍然可以工作，輸出碼流錯誤，輸出門控異常，當AOS檢測到門控異常時會復位，則會丟幀，錯誤狀態無法自行恢復。地面幀同步器中不能找到該壓縮板相應通道的對應標識。此時，需要通過下位機向壓縮發出復位指令，使ADV212重新復位配置，則可恢復正常。對應于表1中的e條款所示。

（2）ADV212仍然可以工作，輸出碼流錯誤，輸出門控正常，但輸出碼流無法解壓，錯誤無法自行恢復，此時，地面幀同步器中該壓縮板相應通道的對應標識正常，但無恢復圖像。此時，需要通過下位機向壓縮發出復位指令，使ADV212重新復位配置。則可恢復正常。對應于表1中的f 條款。

（3）ADV212仍然可以工作，輸出碼流錯誤，輸出門控正常，解壓恢復出錯誤圖像，且不能恢復。此時，需要通過下位機向壓縮發出復位指令，使ADV212重新復位配置。則可恢復正常。對應于表1中的d 條款。

（4）ADV212無法工作，無恢復圖像，壓縮有時鐘輸出，無門控和數據輸出。當AOS檢測到無門控時會復位，則會丟幀，地面幀同步器中不能找到該壓縮板相應通道的對應標識。FPGA檢測到ADV212無輸出后，會重新給ADV212發復位指令，復位指令使ADV212重新配置，可以恢復正常狀態，因此不需外部干預。對應于表1中的b 條款。

3.2 FIFO發生翻轉

3.2.1 PIXEL FIFO發生翻轉

PIXEL FIFO中發生翻轉，則某些相機數據錯誤，錯誤位不固定。圖像會發生點狀或塊狀錯誤，錯誤的形狀和出現頻率沒有固定規律。壓縮輸出的時鐘和門控正常。由于FIFO在不停地寫入正確數據，所以可以恢復，因此不需外部干預。對應于表1中的A條款。

3.2.2 CODE FIFO發生翻轉

CODE FIFO發生翻轉，則壓縮碼流中的數據錯誤，錯誤位不固定。恢復圖像會發生點狀或塊狀錯誤，錯誤的形狀和出現頻率沒有固定規律： 如果是標志字等數據發生錯誤，則相關碼流無法解壓，會暫時出現無恢復圖像的現象。壓縮輸出的時鐘和門控正常。由于FIFO在不停地寫入正確數據，所以可以恢復，因此不需外部干預。對應于表1中的A條款。如果是標志字等數據發生錯誤，則相關碼流無法解壓，會暫時出現無恢復圖像的現象。如果輸出門控正常，對應于表1中的C條款。輸出門控也可能異常，當AOS檢測到門控異常時會復位，則會丟幀。由于FIFO在不停地寫入正確數據，所以可以恢復，因此不需外部干預。對應于表1中的b條款。

3.2.3 ATT R FIFO發生翻轉

ATT R FIFO發生翻轉，則某些配置數據發生錯誤，錯誤位不固定。可能引起配置失敗，或配置錯誤進而引起解碼圖像錯誤。具體錯誤分析與3.1.2類似。

3.3 內部固定邏輯發生 翻轉

ADV212內部的固定邏輯的區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，內部R OM。這些區域發生翻轉時，可能引起ADV212內部程序跑飛，無法正常工作或無法工作，錯誤情況具體分析與3.1.2類似，但是由于這些區域在翻轉已發生后，無法通過外部重新寫入觸發恢復正確狀態，因此不能自行恢復，也不能通過下位機發送復位指令恢復。

ADV212在斷電之后，芯片內部的電場消失，輻射產生的載流子經過一段時間逐漸消散，此時重新加電，則芯片內部正常載流子恢復正常分布，ADV212可恢復正常工作狀態。因此，內部固定邏輯發生翻轉后，需要將壓縮斷電后一段時間后重新加電。對應于表1中的g，h，i 條款。

4 發生單粒子翻轉后可采取的應對措施

表1給出ADV212發生單粒子翻轉時的應對措施。5 總結5

JPEG2000 視頻處理芯片ADV212越來越多應用于空間領域，成為空間領域圖像壓縮的主流發展方向。文章針對ADV212的內部結構和特性，具體分析了該芯片在發生單粒子翻轉時所受到的影響，提出了可行的防護方法，并針對不同的錯誤類型提出對應的解決措施，形成完整的故障預案。對于該芯片在空間領域的應用具有重要意義。