专利名称：一种单粒子多位翻转监测系统的制作方法
技术领域：
本发明的一种单粒子多位翻转监测系统，属于空间辐射效应及加固技术领域。
背景技术：
随着半导体制造工艺和技术水平的不断提高，超大规模集成电路(VLSI)的特征尺寸(Feature Size)越来越小,其栅长度、节点尺寸、深度、氧化层厚度等都相应减小，同时，pn结临界电荷也大大下降；另一方面，随着半导体工艺的不断发展，VLSI的工作频率越来越高，工作电压也越来越低。这些变化都使电子器件对单粒子效应表现出了更强的敏感性。
目前，单粒子效应是影响航天器电子系统性能的重要因素之一，直接影响航天器在轨效能的发挥以及安全性能。如今，为了满足航天器高性能、强功能的发展需求，大多数航天器应用了集成度更高半导体器件，由于超大规模集成电路Pn结单粒子效应敏感区的不断减小和存储密度的不断增大，使得空间单个高能粒子可能诱发两个甚至多个节点的敏感区发生翻转(即单粒子多位翻转，MBU)，导致单粒子多位翻转发生的几率不断增大，可能对器件造成的影响越来越严重，对航天器电子设备的效能发挥以及在轨安全等带来一定程度的影响。于是，需对地面单粒子多位翻转的评价手段进行不断完善，以满足航天器技术不断发展的需求。为此，本发明设计了一种单粒子多位翻转的监测系统，该系统具有较高的数据读取速度、较低的误判率特点，可用于地面电子器件的单粒子多位翻转试验评价。
发明内容
本发明的目的是针对现有单粒子多位翻转监测系统的不足(数据量大，数据读取速度慢，误判率高)，设计了一种单粒子多位翻转监测系统。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。本发明的一种单粒子多位翻转监测系统，主要由上位机、高速测控单元、高可靠监测单元、被测存储器六部分组成，其中高可靠监测单元包括高速缓冲接口、比对监测器、存储器回读控制器、测控单元回读控制器、数据缓存器、测控单元接口，其逻辑连接关系如图I所示。所述单粒子多位翻转监测系统的连接关系如下上位机和高速测控单元连接，经测控单元接口后分别与存储器回读控制器和测控单元回读控制器连接；存储器回读控制器经高速缓冲接口与被测存储器连接，同时经数据缓存器后与比对监测器连接；测控单元回读控制器经数据缓存器后与比对监测器连接；同时比对监测器与测控单元接口连接；所述单粒子多位翻转监测系统的工作过程如下首先，上位机通过高速测控单元向被测存储器中写入初始数据，并在高速测控单元存储备份数据；然后在上位机的控制指令下，高速测控单元通过测控单元接口对被测存储器发出监测指令，实时监测被测存储器数据和相应存储单元的地址；接着在存储器回读控制器的回读控制指令下，将被测存储器的数据和地址经高速缓冲接口送到数据缓存器；同时，测控单元回读控制器从高速测控单元读取备份数据送到数据缓存器；最后，比对监测器从数据缓存器中按“逻辑页”读取数据并进行并行比对，若发生了单粒子多位翻转，则将单粒子翻转数和相应存储单元的地址进行统计，并通过测控单元接口上传到上位机进行显示和保存。所述的监测系统还包括电流监测单元，电流监测单元分别与高速测控单元和被测存储器连接；电流监测单元实时监测被测存储器的工作电流，并经高速测控单元将工作电流值上传到上位机进行显示、保存。所述的监测系统还包括温度监测单元，温度监测单元分别与高速测控单元和被测存储器连接；温度监测单元实时监测被测存储器的工作温度，并经高速测控单元将工作温度值上传到上位机进行显示、保存。其中被测存储器的存储单元采用以下方法进行数据存储首先对被测存储器的存 储单元按“页地址”进行逻辑分组，即将内部所有存储单元按每页2KBytes大小划分，那么存储单元的逻辑地址可表示为“页地址+页内地址”;若记同一页n内同一字节单元i的内部相对偏移地址为j，那么存储阵列中该存储单元的逻辑地址可用数组d (n，i，j)表示，经上述处理后所有的存储单元按逻辑页排列。其中高速测控单元通过测控单元接口对存储器回读控制器实时发出监测指令，通过存储器回读控制器对被测对象的页数据，采用页并行读取的方式进行读取，并存入数据缓存器中，同时，高可靠监测单元在高速测控单元的指令下，从高速测控单元的备份存储器中读取整页的原始数据并存入数据缓存器；接着在比对监测器中进行数据比对，当数据出现比对不一致时，即可判断发生了单粒子翻转，若出现连续两个或者多个存储单元发生了比对不一致，则说明发生了单粒子多位翻转，统计并记录翻转数及翻转地址。其中判断数据是否发生翻转及统计翻转数和地址的具体方法如下①首先向被测存储器的存储单元写入初始数据，并将初始数据保存在被测存储器；②在辐照试验过程中，回读被监测存储单元的字节数据，与初始数据进行比较是否一致，如果数据不一致，则表明该数据单元发生了单粒子翻转(SEU)；③统计发生翻转的错误数、错误地址，在数据处理过程中，同一地址单元i翻转前的数据Si取反和翻转后的数据Si+1进行逻辑与操作，得到相应的一组新序列Ti，设j为Ti序列的内部相对偏移地址，那么若T (i，j)的值为1，则说明Ti序列中第j位的数据发生了 0 — I翻转；若T (i，j)的值为0，则说明Ti序列中第j位的数据没有发生0 — I翻转；若连续两个及以上相对偏移地址对应测存储单元数据发生了翻转，则记录其翻转地址；同理，若将Si和Si+1取反后的值进行逻辑与操作，得到相应的一组新序列为Ji，设k为Ji序列的内部相对偏移位置，那么若J (i，k)的值为1，则说明Ji序列中第j位的数据发生了 1 — 0翻转；若J (i，k)的值为0，则说明Ji序列中第j位的数据没有发生I — 0翻转；若连续两个及以上相对偏移地址对应测存储单元数据发生了翻转，则记录其翻转地址并统计以上两种操作的翻转地址。
本发明的有益效果本系统采用软硬件相结合的方式实现单粒子多位翻转监测。软件上，以“页”(逻辑页，每页按2KBytes大小划分)为单位读取数据，并在出现数据错误时，只对出现错误数据的某一页进行数据重写，而不是整个存储空间的数据重写，从而能够有效提高数据读取、重写的速度；硬件上，采用高速的数据缓冲器和数据接口，通过存储器直接访问方式(DMA)读取数据，这种方式能够较快速、较准确地回读存储器翻转数据。同时，监测系统具有温度采集以及大电流监测和防护的功能，可全面、准确地实现对单粒子多位翻转的试验评价，满足电子器件在空间应用的性能评价需求。
图I是单粒子多位翻转监测系统结构框图。 图2是单粒子多位翻转监测软件并行结构图。
具体实施例方式本发明的一种单粒子多位翻转监测系统，主要由上位机、高速测控单元、高可靠监测单元、被测存储器六部分组成，其中高可靠监测单元包括高速缓冲接口、比对监测器、存储器回读控制器、测控单元回读控制器、数据缓存器、测控单元接口，其逻辑连接关系如图I所示。所述单粒子多位翻转监测系统的连接关系如下上位机和高速测控单元连接，经测控单元接口后分别与存储器回读控制器和测控单元回读控制器连接；存储器回读控制器经高速缓冲接口与被测存储器连接，同时经数据缓存器后与比对监测器连接；测控单元回读控制器经数据缓存器后与比对监测器连接；同时比对监测器与测控单元接口连接；所述单粒子多位翻转监测系统的工作过程如下首先，上位机通过高速测控单元向被测存储器中写入初始数据，并在高速测控单元存储备份数据；然后在上位机的控制指令下，高速测控单元通过测控单元接口对被测存储器发出监测指令，实时监测被测存储器数据和相应存储单元的地址；接着在存储器回读控制器的回读控制指令下，将被测存储器的数据和地址经高速缓冲接口送到数据缓存器；同时，测控单元回读控制器从高速测控单元读取备份数据送到数据缓存器；最后，比对监测器从数据缓存器中按“逻辑页”读取数据并进行并行比对，若发生了单粒子多位翻转，则将单粒子翻转数和相应存储单元的地址进行统计，并通过测控单元接口上传到上位机进行显示和保存。空间单粒子多位翻转试验中，用本发明的监测装置监测存储器件的单粒子多位翻转现象。首先将单粒子多位翻转监测装置放置于实验室模拟源辐照条件下，然后进行单粒子辐照试验，并利用本发明的监测装置监测单粒子多位翻转。其具体试验过程如下①选择辐照模拟源。②将单粒子多位翻转监测装置放置在模拟源辐照场中，同时对监测系统加电，初始化系统所有参数，驱动所有器件进入正常工作状态。③上位机经高速测控单元向被测存储器(SRAM、DRAM、Flash、EEPROM等)中写入初始数据(55H或AAH)，并在高速测控单元中存储备份数据；然后利用模拟源进行辐照。
④在辐照试验过程中，利用监测系统的高可靠监测单元进行数据的回读和比对。具体如下步骤一高速测控单元发出监测指令，高可靠监测单元实时监测被测存储器，在控制指令下，被测存储器的数据按“逻辑页”经高速缓冲接口送到数据缓存器，然后在比对监测器的控制指令下，对所有不同逻辑页的数据，以并行的方式同时与备份数据页的数据进行比较，判断其数据与初始数据是否一致，若数据一致，则进行下次辐照，进行步骤二；若数据不一致，且一个字节内的连续两个及以上比特位出现了比对错误，则表明发生了多位翻转。统计错误地址并将结果上传至上位机后，重新写入原始数据再进行下次辐照测试，进行步骤二。同时，在辐照试验过程中，实时监测被测存储器的工作温度和功耗电流，并将监测值上传到上位机进行存储并显示。注意，在重新写入数据的过程中，为了提高写入的速度，仅对发生数据翻转的逻辑页进行重新写操作，而不是所有页都进行写操作。判断数据是否翻转及统计翻转数和地址的过程如下 在数据处理过程中，同一地址单元i翻转前的数据Si取反和翻转后的数据Si+1进行逻辑与操作，得到相应的一组新序列Ti，设j为Ti序列的内部相对偏移地址，那么 若T (i，j)的值为1，则说明Ti序列中第j位的数据发生了 0 — I翻转； 若T (i，j)的值为0，则说明Ti序列中第j位的数据没有发生0 — I翻转；若连续两个及以上相对偏移地址对应测存储单元数据发生了翻转，则记录其翻转地址；同理，若将Si和Si+1取反后的值进行逻辑与操作，得到相应的一组新序列为Ji，设k为Ji序列的内部相对偏移位置，那么 若J (i，k)的值为1，则说明Ji序列中第j位的数据发生了 1 — 0翻转； 若J (i，k)的值为0，则说明Ji序列中第j位的数据没有发生I — 0翻转；若连续两个及以上相对偏移地址对应测存储单元数据发生了翻转，则记录其翻转地址。进行完以上两个逻辑运算后统计二者的翻转地址，并将统计结果经高速测控单元上传至上位机进行显示、保存。步骤二 若模拟源的能量和测试点没有达到试验要求，则重新选取模拟源能量和测试点进行步骤一，继续进行辐照试验，直到满足试验要求结束试验。
权利要求
1.一种单粒子多位翻转监测系统，其特征在于，该系统主要由上位机、高速测控单元、高可靠监测单元、被测存储器六部分组成，其中高可靠监测单元包括高速缓冲接口、比对监测器、存储器回读控制器、测控单元回读控制器、数据缓存器、测控单元接口 ；上位机和高速测控单元连接，经测控单元接口后分别与存储器回读控制器和测控单元回读控制器连接；存储器回读控制器经高速缓冲接口与被测存储器连接，同时经数据缓存器后与比对监测器连接；测控单元回读控制器经数据缓存器后与比对监测器连接；同时比对监测器与测控单元接口连接；所述单粒子多位翻转监测系统的工作过程如下 首先，上位机通过高速测控单元向被测存储器中写入初始数据，并在高速测控单元存储备份数据；然后在上位机的控制指令下，高速测控单元通过测控单元接口对被测存储器发出监测指令，实时监测被测存储器数据和相应存储单元的地址；接着在存储器回读控制器的回读控制指令下，将被测存储器的数据和地址经高速缓冲接口送到数据缓存器；同时，测控单元回读控制器从高速测控单元读取备份数据送到数据缓存器；最后，比对监测器从数据缓存器中按“逻辑页”读取数据并进行并行比对，若发生了单粒子多位翻转，则将单粒子翻转数和相应存储单元的地址进行统计，并通过测控单元接口上传到上位机进行显示和保存。
2.如权利要求I所述的一种单粒子多位翻转监测系统，其特征在于，所述的监测系统还包括电流监测单元，电流监测单元分别与高速测控单元和被测存储器连接；电流监测单元实时监测被测存储器的工作电流，并经高速测控单元将工作电流值上传到上位机进行显示、保存。
3.如权利要求I所述的一种单粒子多位翻转监测系统，其特征在于，所述的监测系统还包括温度监测单元，温度监测单元分别与高速测控单元和被测存储器连接；温度监测单元实时监测被测存储器的工作温度，并经高速测控单元将工作温度值上传到上位机进行显示、保存。
4.如权利要求I或2或3所述的一种单粒子多位翻转监测系统，其特征在于，其中被测存储器的存储单元采用以下方法进行数据存储首先对被测存储器的存储单元按“页地址”进行逻辑分组，即将内部所有存储单元按每页2KBytes大小划分，那么存储单元的逻辑地址可表示为“页地址+页内地址”;若记同一页η内同一字节单元i的内部相对偏移地址为j，那么存储阵列中该存储单元的逻辑地址可用数组d (n, i，j)表示，经上述处理后所有的存储单元按逻辑页排列。
5.如权利要求4所述的一种单粒子多位翻转监测系统，其特征在于，其中高速测控单元通过测控单元接口对存储器回读控制器实时发出监测指令，通过存储器回读控制器对被测对象的页数据，采用页并行读取的方式进行读取，并存入数据缓存器中，同时，高可靠监测单元在高速测控单元的指令下，从高速测控单元的备份存储器中读取整页的原始数据并存入数据缓存器；接着在比对监测器中进行数据比对，当数据出现比对不一致时，即可判断发生了单粒子翻转，若出现连续两个或者多个存储单元发生了比对不一致，则说明发生了单粒子多位翻转，统计并记录翻转数及翻转地址。
6.如权利要求5所述的一种单粒子多位翻转监测系统，其特征在于，其中判断数据是否发生翻转及统计翻转数和地址的具体方法如下 ①首先向被测存储器的存储单元写入初始数据，并将初始数据保存在被测存储器；②在辐照试验过程中，回读被监测存储单元的字节数据，与初始数据进行比较是否一致，如果数据不一致，则表明该数据单元发生了单粒子翻转(SEU)； ③统计发生翻转的错误数、错误地址，在数据处理过程中，同一地址单元i翻转前的数据Si取反和翻转后的数据Si+1进行逻辑与操作，得到相应的一组新序列Ti，设j为Ti序列的内部相对偏移地址，那么 若T (i，j)的值为1，则说明Ti序列中第j位的数据发生了 O — I翻转； 若T (i, j)的值为O，则说明Ti序列中第j位的数据没有发生O — I翻转； 若连续两个及以上相对偏移地址对应测存储单元数据发生了翻转，则记录其翻转地址； 同理，若将Si和Si+1取反后的值进行逻辑与操作，得到相应的一组新序列为Ji，设k为Ji序列的内部相对偏移位置，那么 若J (i，k)的值为1，则说明Ji序列中第j位的数据发生了 I — O翻转； 若J (i，k)的值为O，则说明Ji序列中第j位的数据没有发生I — O翻转； 若连续两个及以上相对偏移地址对应测存储单元数据发生了翻转，则记录其翻转地址并统计以上两种操作的翻转地址。
全文摘要
本发明针对现有单粒子多位翻转监测系统的不足，设计了一种单粒子多位翻转监测系统。主要由上位机、高速测控单元、高可靠监测单元、被测存储器六部分组成，其中高可靠监测单元包括高速缓冲接口、比对监测器、存储器回读控制器、测控单元回读控制器、数据缓存器、测控单元接口；上位机和高速测控单元连接，经测控单元接口后分别与存储器回读控制器和测控单元回读控制器连接；存储器回读控制器经高速缓冲接口与被测存储器连接，同时经数据缓存器后与比对监测器连接；测控单元回读控制器经数据缓存器后与比对监测器连接；同时比对监测器与测控单元接口连接。
文档编号G01R31/317GK102967823SQ20121046119
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者薛玉雄, 安恒, 傅丹膺, 杨生胜, 陈罗婧, 袁春柱, 陈磊, 冯展祖, 把得东, 曹洲 申请人:中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所, 航天东方红卫星有限公司