盛江坤， 許 鵬， 王茂成， 姚志斌， 羅尹虹， 楊 業(yè)， 劉臥龍， 趙銘彤， 王 迪， 王忠明

(1. 火箭軍工程大學(xué)， 西安 710025； 2. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710024； 3. 西北核技術(shù)研究所， 西安 710024)

數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor，DSP)是一種獨(dú)特的微處理器，是電子系統(tǒng)的核心器件之一，在雷達(dá)、通信及導(dǎo)航等方面有著廣泛應(yīng)用，在航天領(lǐng)域也得到了廣泛關(guān)注[1-2]。在空間應(yīng)用中，空間輻射環(huán)境會(huì)引起集成電路的單粒子效應(yīng)。質(zhì)子或重離子擊中集成電路靈敏區(qū)會(huì)造成集成電路邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而引發(fā)集成電路功能中斷，甚至功能失效，嚴(yán)重影響航天器在軌可靠運(yùn)行[3]。因此，DSP作為電子系統(tǒng)的核心，準(zhǔn)確評(píng)估其抗單粒子性能，可為航天應(yīng)用提供重要支撐。

集成電路的抗單粒子性能地面驗(yàn)證方法通常有輻照實(shí)驗(yàn)和硬件故障注入2種[4-9]。在不同應(yīng)用場(chǎng)景下，DSP的配置程序和功能各不相同，地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)量大和成本高等問(wèn)題；硬件故障注入則存在注入時(shí)機(jī)難以把握、測(cè)試周期長(zhǎng)及系統(tǒng)復(fù)雜度增加等問(wèn)題。針對(duì)當(dāng)前地面驗(yàn)證方法存在的問(wèn)題，本文提出了DSP動(dòng)態(tài)截面中功能性瞬態(tài)故障截面的預(yù)估計(jì)算方法，該方法可以在僅開(kāi)展靜態(tài)偏置實(shí)驗(yàn)的情況下，結(jié)合數(shù)據(jù)緩存流程，預(yù)估DSP功能性瞬態(tài)故障截面，從而降低實(shí)驗(yàn)量和實(shí)驗(yàn)成本。在西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility，XiPAF)上開(kāi)展了質(zhì)子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了預(yù)估方法的有效性。

1 功能性瞬態(tài)故障截面

國(guó)內(nèi)外對(duì)單粒子功能故障的研究主要關(guān)注DSP的各類(lèi)本征截面，包括內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面和各組成電路模塊的功能故障截面，其中，功能故障是電路模塊內(nèi)部寄存器翻轉(zhuǎn)等原因造成的，如功能執(zhí)行錯(cuò)誤和功能中斷等[10-12]。Joshi等在重離子環(huán)境下測(cè)量了SMJ320C6701的內(nèi)部RAM翻轉(zhuǎn)及DMA控制器、各外設(shè)接口、存儲(chǔ)區(qū)控制器和CPU的功能故障[4]；Hiemstra等在質(zhì)子環(huán)境下監(jiān)測(cè)了SMJ320C6701的內(nèi)部RAM翻轉(zhuǎn)及運(yùn)算邏輯單元和DMA控制器的功能故障[5]；王月玲等在重離子環(huán)境下記錄了國(guó)產(chǎn)DSP的內(nèi)部RAM翻轉(zhuǎn)及CPU和外設(shè)接口的功能中斷[6]。

與某特定應(yīng)用最為直接的、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員或用戶(hù)最為關(guān)心的參數(shù)是DSP在該特定應(yīng)用下的功能故障截面。特定應(yīng)用的功能故障截面是DSP運(yùn)行的功能和內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面及各組成電路模塊功能故障截面共同作用的結(jié)果。DSP等處理器類(lèi)器件的工作原理是根據(jù)指令調(diào)用相應(yīng)硬件資源進(jìn)行各類(lèi)數(shù)據(jù)處理，對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)的占用量根據(jù)應(yīng)用的不同而不同，對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)的訪問(wèn)和各類(lèi)硬件資源的調(diào)用存在隨機(jī)性、連續(xù)性和周期性，因此，直接使用DSP本征的單粒子截面可能會(huì)低估特定應(yīng)用下DSP的抗單粒子性能。

在電子系統(tǒng)中，DSP的典型應(yīng)用可抽象為圖 1所示的流程，可能存在多次數(shù)據(jù)處理、緩存和執(zhí)行流程。

圖1 DSP典型功能執(zhí)行流程Fig.1 Flow of typical function execution of DSP

DSP的內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)占電路面積最大，因此在執(zhí)行各類(lèi)計(jì)算的過(guò)程中，如果存儲(chǔ)區(qū)中緩存的數(shù)據(jù)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤，繼而引起后級(jí)相關(guān)的執(zhí)行錯(cuò)誤，如接口輸出錯(cuò)誤等。該類(lèi)故障會(huì)在緩存數(shù)據(jù)被刷新后自動(dòng)恢復(fù)。而程序存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)、電路模塊功能故障或中斷造成的程序跑飛、指令不響應(yīng)及接口功能失效等故障需要通過(guò)熱復(fù)位或上電復(fù)位才能恢復(fù)。2類(lèi)故障的產(chǎn)生機(jī)理和表征模式均不相同，為此，將前者定義為電路的單粒子功能性瞬態(tài)故障(single event functional transient fault，SEFT)，后者仍為傳統(tǒng)意義上的單粒子功能中斷故障。當(dāng)前，對(duì)于DSP特定應(yīng)用下的單粒子功能故障研究及故障的進(jìn)一步細(xì)化分析未見(jiàn)報(bào)道。進(jìn)一步細(xì)化功能故障，結(jié)合DSP的應(yīng)用功能、占用資源及本征截面共同評(píng)估特定應(yīng)用下的DSP抗單粒子性能，可為DSP在航天應(yīng)用中的精細(xì)化選型和針對(duì)性加固提供重要依據(jù)。

DSP的內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面可通過(guò)輻照實(shí)驗(yàn)獲取，表示為

(1)

其中，n為實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)數(shù)，N為存儲(chǔ)區(qū)容量，Φ為入射粒子的累積注量。

單粒子功能性瞬態(tài)故障截面可分為集成電路的功能性瞬態(tài)故障截面和電路中某個(gè)功能的功能性瞬態(tài)故障截面。設(shè)功能k累計(jì)測(cè)量到的單粒子功能性瞬態(tài)故障數(shù)量為qk，則功能k的功能性瞬態(tài)故障截面定義為

(2)

整個(gè)電路檢測(cè)到的單粒子功能性瞬態(tài)故障總數(shù)為q，功能總數(shù)為K，則DSP的功能性瞬態(tài)故障截面定義為

(3)

2 功能性瞬態(tài)故障截面預(yù)估方法

在分析集成電路內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面和功能性瞬態(tài)故障截面關(guān)系之前，需要先設(shè)定4個(gè)前提條件：一是存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)為獨(dú)立隨機(jī)事件；二是為簡(jiǎn)化概率計(jì)算而假設(shè)內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面趨于0；三是不考慮數(shù)據(jù)計(jì)算中的糾錯(cuò)，只要有一位與該功能相關(guān)的數(shù)據(jù)位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即會(huì)引起數(shù)據(jù)計(jì)算或執(zhí)行錯(cuò)誤，對(duì)于糾錯(cuò)方法，可在系統(tǒng)級(jí)抗單粒子性能評(píng)估中通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)預(yù)估結(jié)果進(jìn)行擴(kuò)展；四是在數(shù)據(jù)量不大的情況下，某一功能只考慮一次數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)引發(fā)的功能性瞬態(tài)故障，不考慮邏輯位多位翻轉(zhuǎn)和單一地址多次翻轉(zhuǎn)的情況。

將某一數(shù)據(jù)位從被刷新到被訪問(wèn)的時(shí)間定義為數(shù)據(jù)位有效時(shí)間t，將該數(shù)據(jù)位從被刷新到下一次被刷新的時(shí)間定義為t′，有t

(4)

當(dāng)功能k內(nèi)有Qk個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)候，單位時(shí)間內(nèi)功能k發(fā)生功能性瞬態(tài)故障的概率為

(5)

定義數(shù)據(jù)位緩存時(shí)間有效占比

(6)

功能k的功能性瞬態(tài)故障截面為

(7)

電路所有功能總的數(shù)據(jù)位為Q時(shí)，其功能性瞬態(tài)故障截面為

(8)

即某一功能的功能性瞬態(tài)故障截面等于內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面乘以該功能下所有數(shù)據(jù)位緩存時(shí)間有效占比之和；整個(gè)集成電路的功能性瞬態(tài)故障截面等于內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面乘以配置程序用到的所有數(shù)據(jù)位緩存時(shí)間有效占比之和。

3 質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證功能性瞬態(tài)故障截面預(yù)估方法有效性，在XiPAF上開(kāi)展了DSP質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)選取的質(zhì)子能量為60 MeV，注量率為3.3×106cm-2·s-1。

3.1 實(shí)驗(yàn)器件

DSP型號(hào)為德州儀器公司的TMS320C6455。該電路是一款高性能單核定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，采用C64X+TM內(nèi)核，基于德州儀器開(kāi)發(fā)的第三代VelociTITM超長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)，主頻可達(dá)1 GHz，指令周期1 ns，每周期執(zhí)行8條32位指令，最大峰值速度8 000 Mbit·s-1，線程為90 nm。器件內(nèi)部集成大容量?jī)杉?jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，L1P和L1D為32 Kbit，L2為2 Mbit，均可以映射到存儲(chǔ)空間。外圍接口方面，集成有多通道緩沖串口(multichannel buffered serial port，McBSP)、64位通用定時(shí)器(TIMER)、32位主機(jī)接口(host-port interface，HPI)、通用輸入輸出端口(general-purpose input/output，GPIO)及外部存儲(chǔ)器接口(external memory interface，EMIF)等。

3.2 輻照偏置

開(kāi)展質(zhì)子實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用2種輻照偏置，分別為靜態(tài)偏置和動(dòng)態(tài)偏置。靜態(tài)偏置是指DSP處于主機(jī)接口加載模式下的上電初始狀態(tài)，此時(shí)可通過(guò)主機(jī)接口訪問(wèn)DSP的內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)，進(jìn)行內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面測(cè)量。動(dòng)態(tài)偏置是指DSP處于運(yùn)行特定應(yīng)用的狀態(tài)，該應(yīng)用程序模擬數(shù)據(jù)處理和緩存的典型功能，運(yùn)行頻率為1 GHz。動(dòng)態(tài)偏置的典型程序?yàn)?個(gè)256點(diǎn)快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)計(jì)算程序，計(jì)算框圖如圖2所示。

(a) No.1

計(jì)算程序1首先進(jìn)行各類(lèi)配置和初始化工作，包括使能并配置McBSP、EMIF及鎖相環(huán)；然后，計(jì)算時(shí)域波形和FFT旋轉(zhuǎn)因子時(shí)域波形由6個(gè)余弦波疊加而成，緩存在一個(gè)大小為256的數(shù)組中；之后，進(jìn)行FFT計(jì)算，將得到的幅度譜前128個(gè)數(shù)據(jù)填充到數(shù)組Magn [1920][128]中，完成數(shù)組Magn [1920][128]的初始化；最后，再次執(zhí)行FFT計(jì)算，將計(jì)算得到的幅度譜前128個(gè)數(shù)據(jù)填充到數(shù)組Magn[k][128]中，并將數(shù)組Magn[k+1][128]的數(shù)據(jù)通過(guò)McBSP和EMIF不斷發(fā)送至測(cè)試系統(tǒng)，在累加k后，循環(huán)執(zhí)行該操作，不斷輸出數(shù)據(jù)。計(jì)算程序中的M值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)緩存量。

計(jì)算程序2和計(jì)算程序1相似，不同的是緩存計(jì)算結(jié)果的數(shù)組有2個(gè)，分別是Magn_1[960][128]和Magn_2[960][128]。2個(gè)數(shù)組交替填充和發(fā)送數(shù)據(jù)，在順序填充數(shù)組Magn_1[960][128]的時(shí)候，通過(guò)McBSP和EMIF順序發(fā)送數(shù)組Magn_2[960][128]的數(shù)據(jù)。

發(fā)送的數(shù)據(jù)定義為數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀中至少出現(xiàn)一位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，認(rèn)為對(duì)應(yīng)的功能出現(xiàn)一次單粒子功能瞬態(tài)故障。針對(duì)計(jì)算程序1，將數(shù)組Magn[1920][128]第k行的計(jì)算、緩存及發(fā)送過(guò)程定義為功能k，如圖3所示。針對(duì)計(jì)算程序2，將數(shù)組Magn_j[1920][128]第k行的計(jì)算、緩存及發(fā)送過(guò)程定義為功能k_j，如圖4所示。由圖3和圖4可見(jiàn)，計(jì)算程序1的數(shù)據(jù)位有效占比約為1，計(jì)算程序2的數(shù)據(jù)位有效占比約為0.5。

圖3 FFT計(jì)算程序1功能定義Fig.3 Function definition for FFT Program No.1

圖4 FFT計(jì)算程序2功能定義Fig.4 Function definition for FFT Program No.2

利用示波器觀察發(fā)現(xiàn)，每一次FFT計(jì)算得到128個(gè)數(shù)據(jù)并寫(xiě)入緩存需要的時(shí)間約為548 μs，通過(guò)McBSP將這些數(shù)據(jù)輸出需要的時(shí)間約為1 174 μs，通過(guò)EMIF將這些數(shù)據(jù)輸出需要的時(shí)間約為136 μs，共計(jì)約1 858 μs。為了對(duì)功能性瞬態(tài)故障截面計(jì)算方法進(jìn)行有效驗(yàn)證，針對(duì)不同的M值，設(shè)計(jì)了4組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of experiment

3.3 測(cè)試方法

利用自研的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)器件進(jìn)行了在線測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)、測(cè)試板(包括數(shù)字板和電源板)及輻照板組成，實(shí)驗(yàn)布局如圖5所示。

圖5 質(zhì)子實(shí)驗(yàn)布局Fig.5 Layout of proton experiment

控制計(jì)算機(jī)用于測(cè)試控制與測(cè)試數(shù)據(jù)接收；輻照板上安裝有實(shí)驗(yàn)器件，并通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)對(duì)部分實(shí)驗(yàn)器件IO引腳上拉或下拉實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)器件的上電初始化設(shè)置，實(shí)驗(yàn)器件的上電加載模式設(shè)置為HPI加載；電源板為實(shí)驗(yàn)器件供電，監(jiān)測(cè)閉鎖事件，并與實(shí)驗(yàn)器件的HPI、McBSP及EMIF相連，對(duì)實(shí)驗(yàn)器件進(jìn)行功能測(cè)試。

靜態(tài)偏置下利用測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)測(cè)試，動(dòng)態(tài)偏置下進(jìn)行接口測(cè)試。靜態(tài)偏置下，測(cè)試板在輻照前通過(guò)主機(jī)接口對(duì)實(shí)驗(yàn)器件L2存儲(chǔ)區(qū)填充數(shù)據(jù)，輻照時(shí)循環(huán)回讀數(shù)據(jù)，并與預(yù)期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，記錄錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)測(cè)試。翻轉(zhuǎn)測(cè)試結(jié)果用于計(jì)算被測(cè)器件的內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面。動(dòng)態(tài)偏置下，測(cè)試板在輻照前通過(guò)HPI對(duì)實(shí)驗(yàn)器件配置計(jì)算程序，輻照時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)器件McBSP和EMIF的輸出數(shù)據(jù)，并與預(yù)期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)器件是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤、程序跑飛及不響應(yīng)等現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)接口測(cè)試。

動(dòng)態(tài)偏置下，接口測(cè)試的故障類(lèi)型根據(jù)失效現(xiàn)象可分為功能中斷和數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤。功能中斷一般表現(xiàn)為程序跑飛和接口無(wú)輸出等情況，數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)器件接口時(shí)序輸出正常，但是輸出數(shù)據(jù)與預(yù)期數(shù)據(jù)不符，這可能是計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致，也有可能是外圍接口功能故障導(dǎo)致。當(dāng)出現(xiàn)功能中斷或連續(xù)出現(xiàn)錯(cuò)誤數(shù)較多的數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤時(shí)(錯(cuò)誤數(shù)閾值由測(cè)試人員根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定)，測(cè)試系統(tǒng)將自動(dòng)重新配置實(shí)驗(yàn)器件并進(jìn)行測(cè)試。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

靜態(tài)偏置下，數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)數(shù)隨質(zhì)子累積注量的增加呈線性變化，質(zhì)子注量累積到1×109cm-2時(shí)，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)數(shù)為671個(gè)，L2存儲(chǔ)區(qū)為2 Mbit，利用式(1)計(jì)算得到內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面為

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律和質(zhì)子注量不確定度，計(jì)算得到內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面相對(duì)測(cè)量不確定度在95%置信度下為11%[13]。

動(dòng)態(tài)偏置下，4組實(shí)驗(yàn)各監(jiān)測(cè)了約15萬(wàn)幀數(shù)據(jù)，檢測(cè)到幾十到幾百個(gè)功能性瞬態(tài)故障，同時(shí)監(jiān)測(cè)到了接口功能中斷和錯(cuò)誤數(shù)較多的連續(xù)非致命故障。

第4組實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到接口功能中斷2次，表現(xiàn)為接口沒(méi)有數(shù)據(jù)輸出和測(cè)試系統(tǒng)等待數(shù)據(jù)超時(shí)，被測(cè)器件重新上電復(fù)位并加載計(jì)算程序后功能正常，接口數(shù)據(jù)輸出正常。由于2個(gè)接口同時(shí)出現(xiàn)功能中斷，因此接口故障的可能性較小，分析認(rèn)為這一現(xiàn)象是程序存儲(chǔ)區(qū)發(fā)生數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)進(jìn)而造成程序跑飛，或是CPU內(nèi)核發(fā)生了單粒子功能中斷造成的。

第2、3、4組實(shí)驗(yàn)各檢測(cè)到錯(cuò)誤數(shù)較多的連續(xù)非致命故障2次、3次、3次，其中，第2組實(shí)驗(yàn)第1次故障表現(xiàn)為McBSP輸出的高16位數(shù)據(jù)出錯(cuò)，低16位數(shù)據(jù)和外部存儲(chǔ)器接口監(jiān)測(cè)結(jié)果正常，分析認(rèn)為是McBSP功能模塊部分功能失效造成的；第2組實(shí)驗(yàn)第2次、第3組實(shí)驗(yàn)第2、第3次故障表現(xiàn)為連續(xù)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤不同，但2個(gè)接口的同一幀數(shù)據(jù)錯(cuò)誤相同，表明程序運(yùn)行正常，外設(shè)接口功能正常，分析認(rèn)為這一現(xiàn)象是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)控制器發(fā)生功能故障，CPU訪問(wèn)緩存數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤造成的；第3組實(shí)驗(yàn)第1次和第4組實(shí)驗(yàn)全部3次故障表現(xiàn)為連續(xù)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤相同，分析認(rèn)為這一現(xiàn)象是時(shí)域波形及旋轉(zhuǎn)因子等緩存常量發(fā)生翻轉(zhuǎn)引起的。針對(duì)這些現(xiàn)象，還需要進(jìn)一步結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理器的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案及故障注入等手段進(jìn)一步深入研究其產(chǎn)生機(jī)理。

其他檢測(cè)到的數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤中，每幀數(shù)據(jù)均只有1個(gè)數(shù)據(jù)位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，且McBSP和EMIF檢測(cè)到的幀錯(cuò)誤是相同的，分析認(rèn)為是功能性瞬態(tài)故障，即數(shù)據(jù)位在緩存期間出現(xiàn)了單粒子翻轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所列，其中，W是數(shù)據(jù)幀監(jiān)測(cè)次數(shù)，q為監(jiān)測(cè)到的整個(gè)電路的單粒子功能性瞬態(tài)故障總數(shù)。

表2 功能性瞬態(tài)故障測(cè)量結(jié)果Tab.2 SEFT test results

根據(jù)功能性瞬態(tài)故障截面的定義，針對(duì)實(shí)驗(yàn)器件加載的計(jì)算程序，某一功能k的功能性瞬態(tài)故障截面為

(9)

每一個(gè)功能緩存的數(shù)據(jù)為128個(gè)32位有符號(hào)整形，因此Qk等于4 096，從而可以根據(jù)每組實(shí)驗(yàn)設(shè)定的M值得到被測(cè)器件所有功能總的數(shù)據(jù)位Q。利用式(7)可通過(guò)內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面預(yù)估某一功能的功能性瞬態(tài)故障截面，并利用式(8)可預(yù)估整個(gè)電路的功能性瞬態(tài)故障截面。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值計(jì)算得到的功能性瞬態(tài)故障截面和通過(guò)內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面預(yù)估的功能性瞬態(tài)故障截面如表3所列。

表3 功能性瞬態(tài)故障截面的實(shí)驗(yàn)值和預(yù)估值Tab.3 Experimental and estimated results of SEFT cross section

根據(jù)統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律和質(zhì)子注量不確定度，給出了95%置信度下的相對(duì)測(cè)量不確定度[13]。由表3可知，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和基于內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面的計(jì)算值相對(duì)偏差小于5%，驗(yàn)證了基于內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面和數(shù)據(jù)位緩存時(shí)間有效占比預(yù)估功能性瞬態(tài)故障截面的方法的有效性。

5 小結(jié)

本文針對(duì)單粒子效應(yīng)引起的DSP功能性瞬態(tài)故障，提出了利用DSP內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)截面和數(shù)據(jù)位緩存時(shí)間有效占比預(yù)估功能性瞬態(tài)故障截面的方法，該方法可在僅開(kāi)展靜態(tài)偏置實(shí)驗(yàn)的情況下，預(yù)估DSP功能性瞬態(tài)故障截面，降低了實(shí)驗(yàn)量和實(shí)驗(yàn)成本。在XiPAF上開(kāi)展了DSP質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)，得到的功能性瞬態(tài)故障截面與通過(guò)預(yù)估方法計(jì)算得到的截面相對(duì)偏差小于5%，驗(yàn)證了預(yù)估方法的有效性。預(yù)估方法表明，數(shù)字信號(hào)處理器的功能性瞬態(tài)故障截面與緩存數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)位緩存時(shí)間有效占比有關(guān)，與單次運(yùn)行的絕對(duì)時(shí)間無(wú)關(guān)，數(shù)據(jù)量越大，緩存時(shí)間有效占比越大，功能性瞬態(tài)故障截面越高。由于DSP功能中斷主要有指令集的位翻轉(zhuǎn)引起程序跑飛、配置寄存器翻轉(zhuǎn)造成功能失效、數(shù)據(jù)常量翻轉(zhuǎn)造成永久性計(jì)算錯(cuò)誤和各硬件模塊的本征功能中斷等情況，與內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)位翻轉(zhuǎn)有著重要關(guān)系，因此功能性瞬態(tài)故障截面的預(yù)估方法也可以應(yīng)用到功能中斷截面的預(yù)估中。