基于8051 IP核的單粒子翻轉故障注入與仿真方法

梁 博,劉錦輝?,熊 涔,劉珉強,陳 煜,譚雯丹

(1. 西安電子科技大學 計算機科學與技術學院,西安 710071; 2. 中國工程物理研究院 電子工程研究所,四川綿陽 621054)

微處理器是衛星電子系統和設備的核心器件,可應用于數管計算機、姿軌控計算機及有效載荷數據處理等設備。應用于電路開發板的嵌入式實時計算機系統中的微處理器,能滿足多種航天應用的功能及性能指標要求,只需加上存儲器及與應用相關的外圍電路,就可構成完整的單板計算機系統。

微處理器工作在空間環境時,受高能粒子和帶電粒子的影響可能改變電路節點的正常電壓和電流,進而導致系統出錯。這種現象稱為單粒子效應(single event effect, SEE)。資料表明,在導致航天器異?；蚬收系目臻g環境效應中,各種輻射效應占88%,其中,總劑量效應占5.4%,表面充電效應占20.1%,深層充電效應占24.7%(難以辨別的充電效應占9.4%),SEE占28.4%[1-3]。到目前為止,SEE是誘發航天器異?；蚬收献疃嗟妮椛湫EE的主要表現有6種,包括:單粒子翻轉(single event upset, SEU),存儲單元邏輯狀態改變;單粒子多位翻轉(multiple bit upset,MBU),存儲單元多個位的狀態改變;單粒子瞬變(single event transient, SET),組合邏輯中出現的瞬時脈沖;單粒子功能中斷(single event functional interrupt,SEFI),控制部件出錯;單粒子鎖定(single event latch-up, SEL),由單粒子引起的鎖定效應;單粒子柵擊穿(single event gate rupture, SEGR),高能粒子擊穿晶體管柵極。其中,SEU,MBU,SET,SEFI是可恢復的故障,稱為軟錯誤;SEL和SEGR是導致器件不可恢復的故障,稱為硬錯誤。

微處理器中各種存儲單元,包括數據存儲器、指令存儲器及寄存器等,占芯片面積的40%～70%,更易受SEU的干擾。……