一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法
【專利摘要】一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法，其步驟為：(1)功能模塊劃分；分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、接口特性和功能實(shí)現(xiàn)邏輯，將系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊劃分，每個(gè)功能模塊均是能夠完成獨(dú)立任務(wù)的子電路系統(tǒng)；(2)建立元胞空間，構(gòu)建元胞自動(dòng)機(jī)；將整個(gè)系統(tǒng)視作一個(gè)元胞空間，每個(gè)功能模塊視為其中一個(gè)元胞，依據(jù)元胞的連接關(guān)系選擇合適的鄰居關(guān)系；確定元胞間的耦合度和傳播規(guī)則；確定元胞的狀態(tài)演化過(guò)程；(3)進(jìn)行傳播分析；假設(shè)某一功能模塊發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤，即相對(duì)應(yīng)的元胞加入故障擾動(dòng)，依據(jù)傳播規(guī)則分析系統(tǒng)中單粒子軟錯(cuò)誤的傳播過(guò)程及影響。本發(fā)明具有原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、復(fù)雜度低、能夠提高分析方法精度等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及到于電子系統(tǒng)可靠性分析領(lǐng)域，特指一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒 子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 運(yùn)行在空間輻射環(huán)境或者核爆炸環(huán)境中的電子系統(tǒng)極易受到單粒子效應(yīng)的影響， 單粒子效應(yīng)雖然發(fā)生在系統(tǒng)的某一部位或模塊，但在單粒子軟錯(cuò)誤的發(fā)生后，對(duì)應(yīng)的功能 模塊會(huì)出現(xiàn)故障，并且經(jīng)過(guò)功能模塊與其他模塊的故障耦合和傳播，故障會(huì)擴(kuò)散到輸出端， 有一定幾率導(dǎo)致系統(tǒng)的輸出錯(cuò)誤或功能失效，最終一個(gè)單粒子軟錯(cuò)誤卻引起整個(gè)系統(tǒng)的功 能失效，所以必須針對(duì)系統(tǒng)中單粒子軟錯(cuò)誤的傳播擴(kuò)散過(guò)程進(jìn)行分析。
[0003] 目前，對(duì)分析單粒子軟錯(cuò)誤傳播方面的研究相對(duì)較少，尤其在系統(tǒng)層面，大部分的 分析都是基于器件級(jí)和電路級(jí)的，利用2D、3D器件模型或者電路網(wǎng)表注入單粒子故障的形 式來(lái)模擬電路中的單粒子軟錯(cuò)誤傳播。而在系統(tǒng)層面軟錯(cuò)誤，由于過(guò)于抽象，具體的電路建 模過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，而且分析難度極大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題就在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一 種原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、復(fù)雜度低、能夠提高分析方法精度的基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò) 誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] -種基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法，其步驟為：
[0007] (1)功能模塊劃分；分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、接口特性和功能實(shí)現(xiàn)邏輯，將系統(tǒng)進(jìn)行 功能模塊劃分，每個(gè)功能模塊均是能夠完成獨(dú)立任務(wù)的子電路系統(tǒng)；
[0008] (2)建立元胞空間，構(gòu)建元胞自動(dòng)機(jī)；將整個(gè)系統(tǒng)視作一個(gè)元胞空間，每個(gè)功能模 塊視為其中一個(gè)元胞，依據(jù)元胞的連接關(guān)系選擇合適的鄰居關(guān)系；確定元胞間的耦合度和 傳播規(guī)則；結(jié)合元胞空間、鄰居關(guān)系、傳播規(guī)則，確定元胞的狀態(tài)演化過(guò)程。
[0009] (3)進(jìn)行傳播分析；假設(shè)某一功能模塊發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤，即相對(duì)應(yīng)的元胞加入 故障擾動(dòng)，依據(jù)傳播規(guī)則分析系統(tǒng)中單粒子軟錯(cuò)誤的傳播過(guò)程及影響。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述步驟（2)中，利用仿真工具建立與模型需要模擬 的元胞空間，初始化元胞空間，按功能模塊的分布對(duì)相應(yīng)的元胞取1或者〇,〇表示該元胞為 空，1表示該元胞含有功能模塊，確定元胞的鄰居類型和元胞空間的邊界條件，確定每個(gè)元 胞的耦合矩陣 Cij。
[0011] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述步驟（2)建立的元胞空間中包含：
[0012] (a)由于功能模塊間信號(hào)流的特點(diǎn)，所述元胞空間內(nèi)的元胞間的耦合是有方向的， 所述方向?yàn)閱蜗蚧螂p向；
[0013] (b)所述功能模塊之間的影響是獨(dú)立的，即一個(gè)功能模塊與周圍各個(gè)功能模塊的 耦合度是不同的。
[0014] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述步驟（3)進(jìn)行傳播分析時(shí)具體包括以下步驟：
[0015] (3. l)t = 0時(shí)刻，假設(shè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，設(shè)定此時(shí)各個(gè)元胞的故障程度值，即 s^-axs ；
[0016] (3. 2)t = 1時(shí)刻，元胞空間中的某一元胞發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤，產(chǎn)生故障擾動(dòng)R ;
[0017] (3. 3)t = 2時(shí)刻，元胞自動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行，依次判斷每個(gè)元胞的故障程度值，如果大 于閾值I則認(rèn)為此模塊發(fā)生故障，統(tǒng)計(jì)總的故障元胞數(shù)M(t);
[0018] (3. 5)從t = 3時(shí)刻起，元胞自動(dòng)機(jī)每執(zhí)行一步，統(tǒng)計(jì)空間中發(fā)生故障的元胞個(gè)數(shù) M (t)，若M (t+1) >M (t)，則重復(fù)執(zhí)行步驟（3. 4)，若M (t+1) = M (t)，則單粒子故障不再傳播， 停止元胞自動(dòng)機(jī)運(yùn)行。
[0019] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：所述元胞自動(dòng)機(jī)中元胞的鄰居關(guān)系為形式一、形式二 或形式三；所述形式一為每個(gè)元胞只受其周圍四個(gè)方向的四個(gè)鄰居元胞的影響，所述形式 二為每個(gè)元胞受周圍8個(gè)鄰居元胞的影響，所述形式三為每個(gè)元胞會(huì)受到周圍的24個(gè)鄰居 元胞的影響。
[0020] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明針對(duì)單粒子效應(yīng)敏感的電子系統(tǒng)，對(duì) 其進(jìn)行功能模塊劃分，利用元胞自動(dòng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)中單粒子軟錯(cuò)誤的傳播過(guò)程進(jìn)行分析。本發(fā) 明將系統(tǒng)看作一個(gè)元胞空間，每個(gè)功能模塊都看作元胞空間中的一個(gè)元胞，元胞之間的耦 合度為模塊間的單粒子軟錯(cuò)誤傳播率，并依據(jù)系統(tǒng)中模塊的連接和信號(hào)流向，確定元胞自 動(dòng)機(jī)中故障的傳播規(guī)則，分析系統(tǒng)中某一模塊發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤后，整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)演化， 以及各個(gè)模塊在接下來(lái)時(shí)刻的故障程度值，直到發(fā)生故障的功能模塊不再增加，系統(tǒng)達(dá)到 穩(wěn)定狀態(tài)。該分析方法能夠降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，直觀分析系統(tǒng)中單粒子軟錯(cuò)誤的傳播過(guò)程， 并且能夠合理評(píng)估系統(tǒng)模塊間的故障耦合度、故障擾動(dòng)的等因素的影響。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的流程示意圖。
[0022] 圖2a是本發(fā)明中元胞的鄰居關(guān)系形式一的示意圖。
[0023] 圖2b是本發(fā)明中元胞的鄰居關(guān)系形式二的示意圖。
[0024] 圖2c是本發(fā)明中元胞的鄰居關(guān)系形式三的示意圖。
[0025] 圖3是本發(fā)明在具體實(shí)施例中的詳細(xì)流程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 以下將結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0027] 如圖1所示，一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法，其步驟 為：
[0028] (1)功能模塊劃分；分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、接口特性和功能實(shí)現(xiàn)邏輯，將系統(tǒng)進(jìn)行 功能模塊劃分，每個(gè)功能模塊是能夠完成獨(dú)立任務(wù)的子電路系統(tǒng)；
[0029] (2)建立元胞空間，構(gòu)建元胞自動(dòng)機(jī)；將整個(gè)系統(tǒng)視作一個(gè)元胞空間，每個(gè)功能模 塊視為其中一個(gè)元胞，依據(jù)元胞的連接關(guān)系選擇合適的鄰居關(guān)系；確定元胞間的耦合度和 傳播規(guī)則；結(jié)合元胞空間、鄰居關(guān)系、傳播規(guī)則等，確定元胞的狀態(tài)演化過(guò)程。
[0030] (3)進(jìn)行傳播分析；假設(shè)某一功能模塊發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤，即相對(duì)應(yīng)的元胞加入 故障擾動(dòng)，依據(jù)傳播規(guī)則分析系統(tǒng)中單粒子軟錯(cuò)誤的傳播過(guò)程及影響。
[0031] 在本發(fā)明中，是運(yùn)用元胞自動(dòng)機(jī)的方法對(duì)故障的傳播過(guò)程進(jìn)行抽象和量化分析。 元胞自動(dòng)機(jī)是時(shí)間、空間和狀態(tài)都離散的動(dòng)力學(xué)模型，它通過(guò)簡(jiǎn)單的基元和簡(jiǎn)單的規(guī)則產(chǎn) 生復(fù)雜現(xiàn)象，可模擬單元之間有強(qiáng)烈耦合作用的復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程。復(fù)雜系統(tǒng)的故障傳播 可視為由系統(tǒng)各組件之間耦合作用引起的動(dòng)態(tài)過(guò)程。元胞自動(dòng)機(jī)包括以下幾個(gè)部分：
[0032] 元胞：是元胞自動(dòng)機(jī)最基本的組成部分，均勻分布在離散的一維或多維的元胞空 間內(nèi)，每個(gè)元胞包含一個(gè)或多個(gè)離散狀態(tài)值，元胞每一時(shí)刻的狀態(tài)值取決于且只取決于上 一時(shí)刻自身以及其鄰居的狀態(tài)值。取元胞的輸出狀態(tài)空間為：{-1，0, 1}。其中{-1}表示該 元胞處于失效或故障狀態(tài)，{1}表示該元胞處于正常狀態(tài)，{〇}表示空元胞。
[0033] 元胞空間：是指元胞分布所在的網(wǎng)格空間的集合，主要包括空間幾何結(jié)構(gòu)和邊界 條件。其中，幾何結(jié)構(gòu)包括一維和多維的元胞自動(dòng)機(jī)。對(duì)于一維元胞自動(dòng)機(jī)空間幾何結(jié)構(gòu) 為一種直線形式；對(duì)于多維元胞自動(dòng)機(jī)，元胞空間內(nèi)網(wǎng)格排列形式多樣。
[0034] 鄰居：在元胞空間內(nèi)的一個(gè)元胞周圍并能夠與之產(chǎn)生影響的所有元胞都稱為該元 胞的鄰居。一個(gè)元胞在下一時(shí)刻的狀態(tài)決定于當(dāng)前時(shí)刻本身狀態(tài)和它的鄰居元胞的狀態(tài)。 二維元胞自動(dòng)機(jī)中有幾種典型的鄰居形式，如圖2a所示的Von. Neumann型鄰居形式中，每 個(gè)元胞只受其周圍四個(gè)方向的四個(gè)鄰居元胞的影響；如圖2b所示的Moore型鄰居形式中， 每個(gè)元胞受周圍8個(gè)鄰居元胞的影響；如圖2c所示的擴(kuò)展的Moore型鄰居是對(duì)Moore型鄰 居的擴(kuò)充，元胞會(huì)受到周圍的24個(gè)鄰居元胞的影響。
[0035] 規(guī)則：根據(jù)元胞當(dāng)前狀態(tài)及其鄰居狀況確定下一時(shí)刻元胞狀態(tài)的函數(shù)，只針對(duì)元 胞個(gè)體操作，它可以記為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法，其特征在于，步驟為： (1) 功能模塊劃分；分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、接口特性和功能實(shí)現(xiàn)邏輯，將系統(tǒng)進(jìn)行功能 模塊劃分，每個(gè)功能模塊均是能夠完成獨(dú)立任務(wù)的子電路系統(tǒng)； (2) 建立元胞空間，構(gòu)建元胞自動(dòng)機(jī)；將整個(gè)系統(tǒng)視作一個(gè)元胞空間，每個(gè)功能模塊視 為其中一個(gè)元胞，依據(jù)元胞的連接關(guān)系選擇合適的鄰居關(guān)系；確定元胞間的耦合度和傳播 規(guī)則；結(jié)合元胞空間、鄰居關(guān)系、傳播規(guī)則，確定元胞的狀態(tài)演化過(guò)程； (3) 進(jìn)行傳播分析；假設(shè)某一功能模塊發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤，即相對(duì)應(yīng)的元胞加入故障 擾動(dòng)，依據(jù)傳播規(guī)則分析系統(tǒng)中單粒子軟錯(cuò)誤的傳播過(guò)程及影響。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法，其 特征在于，所述步驟（2)中，利用仿真工具建立與模型需要模擬的元胞空間，初始化元胞空 間，按功能模塊的分布對(duì)相應(yīng)的元胞取1或者〇,〇表示該元胞為空，1表示該元胞含有功能 模塊，確定元胞的鄰居類型和元胞空間的邊界條件，確定每個(gè)元胞的耦合矩陣 Cij。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法，其特 征在于，所述步驟（2)建立的元胞空間中包含： (a) 由于功能模塊間信號(hào)流的特點(diǎn)，所述元胞空間內(nèi)的元胞間的耦合是有方向的，所述 方向?yàn)閱蜗蚧螂p向； (b) 所述功能模塊之間的影響是獨(dú)立的，即一個(gè)功能模塊與周圍各個(gè)功能模塊的耦合 度是不同的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方法， 其特征在于，所述步驟（3)進(jìn)行傳播分析時(shí)具體包括以下步驟： (3. 1) t = 0時(shí)刻，假設(shè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，設(shè)定此時(shí)各個(gè)元胞的故障程度值，即Su (t)〈 δ ; (3. 2)t = 1時(shí)刻，元胞空間中的某一元胞發(fā)生單粒子軟錯(cuò)誤，產(chǎn)生故障擾動(dòng)R ; (3. 3) t = 2時(shí)刻，元胞自動(dòng)機(jī)開始運(yùn)行，依次判斷每個(gè)元胞的故障程度值，如果大于閾 值I則認(rèn)為此模塊發(fā)生故障，統(tǒng)計(jì)總的故障元胞數(shù)M(t); (3. 5)從t = 3時(shí)刻起，元胞自動(dòng)機(jī)每執(zhí)行一步，統(tǒng)計(jì)空間中發(fā)生故障的元胞個(gè)數(shù) M (t)，若M (t+1) >M (t)，則重復(fù)執(zhí)行步驟（3. 4)，若M (t+1) = M (t)，則單粒子故障不再傳播， 停止元胞自動(dòng)機(jī)運(yùn)行。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于元胞自動(dòng)機(jī)的單粒子軟錯(cuò)誤系統(tǒng)級(jí)傳播分析方 法，其特征在于，所述元胞自動(dòng)機(jī)中元胞的鄰居關(guān)系為形式一、形式二或形式三；所述形式 一為每個(gè)元胞只受其周圍四個(gè)方向的四個(gè)鄰居元胞的影響，所述形式二為每個(gè)元胞受周圍 8個(gè)鄰居元胞的影響，所述形式三為每個(gè)元胞會(huì)受到周圍的24個(gè)鄰居元胞的影響。
【文檔編號(hào)】G06F11/22GK104102562SQ201410282835
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】楊俊 , 王躍科, 刑克飛, 何偉, 胡梅, 楊道寧, 劉思愷 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)