星載計(jì)算機(jī)是各類航天器的核心部件,由于運(yùn)行在宇宙空間中,星載計(jì)算機(jī)中的微電子器件會(huì)受到單粒子效應(yīng)的影響,使其可靠性問題尤為突出。受限于實(shí)驗(yàn)資金、實(shí)驗(yàn)周期等因素,單粒子輻射實(shí)驗(yàn)難以單一地用作評(píng)估星載計(jì)算機(jī)抗輻射能力的驗(yàn)證手段。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以在較高精度上模擬高能粒子與芯片的作用過程,對(duì)研究單粒子效應(yīng)在電路中的作用機(jī)理以及評(píng)估電路的抗單粒子效應(yīng)能力有重要意義。本文依托于“十三五”裝備預(yù)先研究項(xiàng)目“XXX單粒子輻射效應(yīng)仿真技術(shù)研究”,以評(píng)估星載計(jì)算機(jī)的抗單粒子效應(yīng)能力為背景,以研究單粒子效應(yīng)仿真方法為目標(biāo),針對(duì)星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能,研究其仿真方法、模型搭建及單粒子效應(yīng)敏感性分析。本文的主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:(1)實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)大規(guī)模數(shù)字電路系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)仿真方法。在SMIC130nm CMOS工藝下,基于器件級(jí)的單粒子效應(yīng)響應(yīng)電流,形成SPICE級(jí)的單粒子效應(yīng)故障注入模型。通過對(duì)邏輯門的仿真分析,得到不同邏輯門的單粒子效應(yīng)敏感節(jié)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了一種針對(duì)大規(guī)模數(shù)字邏輯電路SPICE模型的單粒子效應(yīng)故障注入、仿真與結(jié)果檢測(cè)的方法,并提出了一種分段仿真的手段,大大減少統(tǒng)計(jì)分析的仿真時(shí)間。該單粒子效應(yīng)仿真方法既考慮了器件級(jí)的信息,又兼顧了電路規(guī)模和仿真速度,解決了現(xiàn)有方法的部分不足。(2)搭建了星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)SPICE模型。根據(jù)星載計(jì)算機(jī)核心系統(tǒng)的組成,基于SMIC 130nm CMOS工藝,分別搭建完成了處理器和SRAM的SPICE模型�；诰仃嚦朔ê兔芭菖判騼煞N典型程序,對(duì)星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行功能驗(yàn)證和時(shí)序驗(yàn)證,在SPICE層面驗(yàn)證了系統(tǒng)模型的正確性。仿真結(jié)果表明,該星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)SPICE模型可以在100MHz時(shí)鐘頻率下正確地進(jìn)行初始化并執(zhí)行后續(xù)程序。(3)完成了對(duì)星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各個(gè)模塊的單粒子效應(yīng)仿真分析。仿真統(tǒng)計(jì)了各個(gè)模塊造成系統(tǒng)出錯(cuò)的概率,結(jié)合模塊面積比例,得到了整數(shù)處理單元、寄存器堆、緩存控制模塊、AHB總線仲裁器、存儲(chǔ)控制模塊以及SRAM的單粒子效應(yīng)敏感性。整數(shù)處理單元的仿真結(jié)果表明:五級(jí)流水線中,取指階段的單粒子效應(yīng)敏感性最大,結(jié)果對(duì)處理器流水線的抗單粒子效應(yīng)加固設(shè)計(jì)有重要意義。SRAM的仿真結(jié)果表明:指令SRAM的單粒子效應(yīng)敏感性大約是數(shù)據(jù)SRAM的10倍,同時(shí),指令SRAM中的單粒子效應(yīng)更容易造成系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生錯(cuò)誤,而數(shù)據(jù)SRAM中的單粒子效應(yīng)則更多地造成系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果錯(cuò)誤。(4)在運(yùn)行矩陣乘法和冒泡排序程序的情況下,指令SRAM的單粒子效應(yīng)敏感性分別為19.13?和6.55?,為星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中單粒子效應(yīng)最敏感的模塊。對(duì)指令SRAM進(jìn)行模塊級(jí)的三模冗余加固設(shè)計(jì),并針對(duì)單粒子同時(shí)穿透多個(gè)芯片的問題,對(duì)加固后的系統(tǒng)進(jìn)行單粒子效應(yīng)敏感性仿真分析。在1000次的單粒子效應(yīng)故障注入與仿真中,系統(tǒng)未出現(xiàn)錯(cuò)誤。該結(jié)果驗(yàn)證了模塊級(jí)的三模冗余加固設(shè)計(jì)的有效性,同時(shí)也表明本文的仿真方法可以用于驗(yàn)證系統(tǒng)抗輻射加固設(shè)計(jì)的效果。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V446;TP391.9
【部分圖文】：

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1.1 柯晶達(dá)單粒子效應(yīng)器件級(jí)仿真解決方案示意圖以上這些研究針對(duì)不同的模型層次進(jìn)行了單粒子效應(yīng)仿真，但都沒有很好地解決仿真模型精度與電路規(guī)模相矛盾的問題，即器件級(jí)和電路SPICE級(jí)仿真精度雖然高，但支持的電路規(guī)模��；RTL 級(jí)支持更大的規(guī)模，但仿真精度大大降低。目前，對(duì)星載計(jì)算機(jī)的單粒子效應(yīng)仿真研究尚處于起步階段[24]，該方向是國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)，有巨大的研究?jī)r(jià)值。針對(duì)以上問題，本文對(duì)星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行 SPICE 層面的建模并研究其單粒子效應(yīng)仿真方法，在保證模型精度的前提下實(shí)現(xiàn)了對(duì)大規(guī)模電路系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)仿真。1.3 論文研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)安排本文針對(duì)星載計(jì)算機(jī)的核心系統(tǒng)模塊進(jìn)行 SPICE 層次的建模與單粒子效應(yīng)仿真分析。研究了一種適用于大規(guī)模數(shù)字電路系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)故障注入與仿真方法�；� SMIC 130nm CMOS 工藝

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文16圖3.1 不同 LET 條件下的單粒子瞬態(tài)響應(yīng)電流從圖中可以看出，對(duì)于 SMIC 130nm CMOS 工藝器件，不同 LET 條件下單粒子瞬態(tài)脈沖的高度和寬度差異很大，但形狀基本一致，且都具有“拖尾”現(xiàn)象，這表明器件結(jié)構(gòu)決定了單粒子瞬態(tài)脈沖的形狀，而粒子入射的 LET 影響單粒子瞬態(tài)脈沖的高度和寬度。3.1.2 SPICE 級(jí)故障注入模型通過器件級(jí)單粒子效應(yīng)仿真得到的電流響應(yīng)數(shù)據(jù)可以作為一個(gè)瞬態(tài)電流源注入到 SPICE 電路級(jí)網(wǎng)表中，用于電路級(jí)的單粒子效應(yīng)仿真。常用的單粒子效應(yīng)注入模型有雙指數(shù)電流源模型、Weibull 分布函數(shù)電流源模型和 PWL（分段線性差值）電流源模型。雙指數(shù)電流源模型采用雙指數(shù)函數(shù)來描述電路節(jié)點(diǎn)的電流隨時(shí)間的響應(yīng)。雙指數(shù)函數(shù)的定義為：0( ) ( ) = +t tI t I e e (3-1)利用 Matlab 工具，可以擬合得到參數(shù) I0、1/α 和 1/β 與 LET 的函數(shù)關(guān)系?

第四章 星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng) SPICE 模型搭建47圖4.21 初始化程序部分信號(hào)波形圖從圖中可以看出，處理器執(zhí)行初始化程序至地址 0x00001BC 處時(shí)，由初始化程序SRAM跳轉(zhuǎn)到指令SRAM的地址0x0000000處，并開始執(zhí)行指令SRAM中的程序，表明系統(tǒng)正確地完成了初始化。（2）矩陣乘法矩陣乘法程序首先將列矩陣和行矩陣的元素存入數(shù)據(jù) SRAM 中，然后每次從數(shù)據(jù) SRAM 中讀取兩個(gè)元素并作乘法運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果寫入數(shù)據(jù) SRAM 中。某次將乘法運(yùn)算結(jié)果寫入數(shù)據(jù) SRAM 時(shí)的部分波形如圖 4.22 所示。圖4.22 矩陣乘法程序部分信號(hào)波形圖從圖中可以看出，該操作為將數(shù)據(jù) 0x000008BC 寫入地址 003FF54 中

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本文編號(hào)：2825611