【導(dǎo)讀】foreachapplication?8051devices.SingleEventEffects,Hardened-By-Design,microcontroller,radiationeffects.forHBDvalidation?library?Toanswerthis,other

　　

【正文】 一種開發(fā)工具。有許多工業(yè)供應(yīng)商，他們供應(yīng)這種控制器或把這種控制器集成到某種類型的系統(tǒng)芯片的結(jié)構(gòu)。醫(yī)學(xué)研究理事會(huì)和 高級微電子研究所 都選擇這個(gè)設(shè)備，但他們論證的是兩種截然不同固化工藝。醫(yī)學(xué)研究理事會(huì)的實(shí)例是使用時(shí)間鎖存，需要具體時(shí)間以確保單粒子效應(yīng)減少到最低限度。 高級微電子研究所 采用超低功耗，以及布局和建筑固化工藝的設(shè)計(jì)原則來實(shí)現(xiàn)其結(jié)果。這些是與 Aeroflex聯(lián)合技術(shù)微電子中心（ UTMC ）完全不同的方法 ，抗輻射固化的 8051的工業(yè)供應(yīng)商，利用抗輻射固化進(jìn)程研制自己的 8051單片機(jī)。 一臺(tái)設(shè)備廣泛涉及的技術(shù)使得 8051成為技術(shù)評價(jià)的理想載體這項(xiàng)工作的目標(biāo)是從 高級微電子研究所 得到 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) 進(jìn)程的技術(shù)評價(jià) [ 3 ]。其他兩個(gè)過程 英特爾的 8051商業(yè)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和采用國家最先進(jìn)的加工從達(dá)拉斯半導(dǎo)體版本 — 是這個(gè)進(jìn)程的基礎(chǔ)。商業(yè)研究一 一比較了他們的成本效益，性能和可靠性。 技術(shù)性能的評價(jià)是為測試微控制器開發(fā)硬件和軟件。完備進(jìn)程中目的是優(yōu)化 測試過程以盡可能獲得完整的評價(jià)。 這包括利用現(xiàn)有的硬件和在微控制器上運(yùn)行的軟件對所有子處理器進(jìn)行評價(jià)。這個(gè)進(jìn)程還會(huì)使 我們 較完整地理解如何測試復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如微控制器，以及將來如何更有效地測試這些結(jié)構(gòu)。 四 測試裝置 這一試驗(yàn)的評價(jià)使用了三款器件。首先是美國航天局的設(shè)備，這是進(jìn)行評估主要設(shè)備。其他兩個(gè)設(shè)備是兩種版本的商業(yè) 8051 ，分別由英特爾公司和美國達(dá)拉斯半導(dǎo)體制造。 英特爾的設(shè)備是無存儲(chǔ)器型，這是經(jīng)典的 8052 MCS 51單片機(jī)電路版。他們工作環(huán)境是額定電壓 +5伏，溫度范圍 在 0至 70 176。C ，時(shí)鐘頻率為 24兆赫。他們由英特爾 CHMOS IIIE進(jìn)程制造的。 達(dá)拉斯半導(dǎo)體器件都很相似因?yàn)樗麄兌际?ROMless 8052單片機(jī)，但他們加強(qiáng)方式不同。他們的額定電壓從 ,溫度在 0到 70 176。C ,時(shí)鐘頻率高達(dá) 25兆赫。第二次全內(nèi)置串口，增設(shè)七個(gè)中斷，一個(gè)看門狗定時(shí)器，一個(gè)掉電復(fù)位，雙數(shù)據(jù)指針和變速外設(shè)訪問。此外，重新設(shè)計(jì)技術(shù)核心，最終使該機(jī)器周期縮短，從而得到有效的處理能力，這大約是 （快）比標(biāo)準(zhǔn)的 8052器件。不同于器件工作所固有的 功能，這些功能沒有被利用是為了達(dá)拉斯和英特爾的測試代碼最大限度地相似。 CMOS設(shè)備是 MSC 51系列的一個(gè)版本，與超低功耗（ ULP）進(jìn)程代工許可的 C8051 HDL核心兼容。 C8051設(shè)備在電源電壓為 500毫伏運(yùn)行，高壓部分包括一個(gè)片上輸入 /輸出信號(hào)電平轉(zhuǎn)換接口。 超低功耗輻射容錯(cuò) 技術(shù) C8051設(shè)備需要兩個(gè)單獨(dú)的電源電壓； 500毫伏和理想的接口電壓。 C8051是 ROMless與 MSC 51系列指令系統(tǒng)兼容的。 五，測試硬件 8051被測設(shè)備（ DUT）作為實(shí)用電腦組成部分進(jìn)行了測試。除了 被測設(shè)備本身，在被測設(shè)備計(jì)算機(jī)其他組成部分從立即地區(qū)輻射光束被刪除。一個(gè)獨(dú)特的硬連線標(biāo)識(shí)符字節(jié)所帶有的小卡（每種被測設(shè)備封裝類型有一個(gè)）控制被測設(shè)備，晶體，并旁路電容器（和電壓電平轉(zhuǎn)換為被測設(shè)備 ） 。這種“被測設(shè)備板”是由短 60導(dǎo)體帶狀電纜連接到“主板”。各主板的所有其他組件需要被測設(shè)備計(jì)算機(jī)完成，包括在一些設(shè)計(jì)名義上是沒有必要的組件（如外部內(nèi)存，外部 ROM和地址鎖存器） 。 被測設(shè)備計(jì)算機(jī)和測試控制計(jì)算機(jī)是由串行電纜連接，而兩者之間的通信由控制器（即運(yùn)行定制的串行接口軟件）建立。這個(gè)控制器軟件涉 及被測設(shè)備的命令，被測設(shè)備碼的下載，和被測設(shè)備輻射前后搜集來的實(shí)時(shí)錯(cuò)誤。 1赫茲信號(hào)源為被測設(shè)備提供了一個(gè)外部看門狗定時(shí)信號(hào)，其看門狗輸出是通過一個(gè)示波器監(jiān)測。監(jiān)測電源供應(yīng)來得到閉鎖指示。 六 測試軟件 8051測試軟件的概念很簡單。它的目的是要作為一個(gè)模 塊化設(shè)計(jì)，為被測設(shè)備的每一個(gè)具體部分的設(shè)計(jì)一系列小型試驗(yàn)程序 。因?yàn)槊總€(gè)試驗(yàn)是獨(dú)立的，他們是獨(dú)立加載的，在被測設(shè)備也是相互獨(dú)立執(zhí)行的。這將確保在測試時(shí)只有 8051被測設(shè)備所需的部分在運(yùn)行，并有助于測試時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的精確定位。全部測試程序先駐存在控制器電 腦中，然后通過串行接口加載到被測設(shè)備計(jì)算機(jī)。這樣，個(gè)別試驗(yàn)可以在任何時(shí)間被修改。還可以制定和補(bǔ)充額外的測試，而不會(huì)影響整體測試設(shè)計(jì)。只有駐存在被測設(shè)備永久編碼，是啟動(dòng)代碼和在控制器 PC與被測設(shè)備建立之間的通信的串行代碼裝入例行程序。 所有執(zhí)行的測試程序： ? 外部通用異步接收和發(fā)送裝置（ UART接口），用來傳送錯(cuò)誤信息和控制器計(jì)算機(jī)之間的通信。 ? 外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘，作為數(shù)據(jù)錯(cuò)誤標(biāo)記。 ? 看門狗，必要時(shí)為 8051正常運(yùn)行和重新啟動(dòng)的可視化確認(rèn)提供測試代碼。 ? “混亂”的例行程序，如果它偏離代碼空間就會(huì)重置 程序計(jì)數(shù)器。 ? 外部遙測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生中斷時(shí)提供的數(shù)據(jù)備份。 應(yīng)當(dāng)指出的是，考慮到所有接收數(shù)據(jù)最高的可靠性，每個(gè)試驗(yàn)中，返回遙測（包括時(shí)間標(biāo)記） 被同時(shí)送往測試控制器和遙測內(nèi)存。每一個(gè)軟件測試使用簡要介紹如下： 中斷 這項(xiàng)測試用到 6個(gè)可用中斷矢量圖中的 4個(gè)來觸發(fā)例程（串行，外部，定時(shí)器 0溢出，以及定時(shí)器 1溢出），累加器定期地與一個(gè)已知值比較，然后啟動(dòng)例行程序順序地修改累加器的值。意外值傳與寄存器信息一起傳送。 邏輯 這個(gè)測試進(jìn)行了一系列的邏輯和數(shù)學(xué)計(jì)算，并提供三種類型的錯(cuò)誤鑒定 ： 1 ）加法 /減法， 2 ）邏輯運(yùn)算 ， 3 ） 乘法 /除法。計(jì)算和期望值的所有不匹配與其他有關(guān)寄存器信息一起傳送。 存儲(chǔ)器 這項(xiàng)測試間接地用 0x55模式裝在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址 D： 0x20到 D：0xff （或 D ： 0x20到 D： 0x080為 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) 被測設(shè)備）。當(dāng) 出錯(cuò)信息和寄存器值被傳送， 不斷進(jìn)行比較 ，糾正。 程序計(jì)數(shù)器 取不同的偏移地址時(shí)，該程序計(jì)數(shù)器是用來取常數(shù)的。常數(shù)與已知值進(jìn)行比較，不匹配結(jié)果與有關(guān)寄存器信息一起傳送。 寄存器 這項(xiàng)測試程序裝在中的四（ 0,1,2,3 ）段的通用寄存器或者 0xAA （段0和 2 ）或 0x55 （段 1和 3 ） 。模式交替為了測試狀態(tài)字（ PSW）特殊功能寄存器，其中控制通用寄存器段的選擇。然后通用寄存器段，比較他們的預(yù)期值。所有不匹配被更正，錯(cuò)誤信息傳送。 特殊功能寄存器（ SFR） 這項(xiàng)測試使用可特殊功能寄存器 21位中的 12位的已知靜態(tài)值，然后不斷地比較已知值與當(dāng)前值。 不匹配與已知值和錯(cuò)誤信息被重新裝入。 棧 這項(xiàng)測試通過把操作數(shù)壓入和彈出堆棧進(jìn)行運(yùn)算。意外值由于堆棧的錯(cuò)誤或堆棧指針本身和有關(guān)的寄存器信息被傳送。 七 測試 方法 通過執(zhí)行位于地址 0x0000指令代碼來啟動(dòng)被測設(shè)備計(jì)算機(jī)。起初，這個(gè)地址的設(shè)備是一個(gè)以前載有“開機(jī) /串行裝載機(jī)”代碼的可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器。此代碼初始化被測設(shè)備計(jì)算機(jī)及接口通過串行連接的計(jì)算機(jī)的控制，“測試控制器”。被測設(shè)備計(jì)算機(jī)下載測試代碼并把它放入程序代碼存儲(chǔ)器（位于被測設(shè)備計(jì)算機(jī)主板） 。然后啟動(dòng)電路，同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)功能： 被測設(shè)備的復(fù)位線保持有效一段時(shí)間（ 大約 10毫秒） ； 并且，駐存在程序碼 RAM的測試代碼映射到地址 0x0000 （在被測設(shè)備計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間該可擦寫可編程只讀存儲(chǔ)器將不再被 訪問）。蘇醒后，從重置，通過執(zhí)行地址 0x0000指令代碼再次啟動(dòng)被測設(shè)備電腦 ，但這個(gè)時(shí)候，代碼不是啟動(dòng) /串行裝入程序代碼，而是測試代碼。 不論在被測設(shè)備計(jì)算機(jī)的功能性如何，測試控制計(jì)算機(jī)始終保留了強(qiáng)制重置 /映射功能。因此，如果測試運(yùn)行沒有一個(gè)單一事件功能中斷（ SEFI ） 無論是被測設(shè)備計(jì)算機(jī)本身或測試控制器可以終止了測試，并允許執(zhí)行后測試功能。如果SEFI發(fā)生，測試控制器強(qiáng)制重新啟動(dòng)到開機(jī) /串行裝入程序代碼然后執(zhí)行后的測試功能。 在被測設(shè)備的任何測試，被測設(shè)備行使的部分功能（例如，寄存器操作或 內(nèi)部 RAM的檢查，或定時(shí)器操作）在最高利用可能，同時(shí)使最小定期報(bào)告的測試控制計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)達(dá)的被測設(shè)備計(jì)算機(jī)仍然起作用。如果此報(bào)告停止，測試控制器知道了，一個(gè) SEFI 發(fā)生。這種定期的數(shù)據(jù)被稱為“遙測” 。如果被測設(shè)備遇到了一個(gè)錯(cuò)誤，不能中斷功能（例如，數(shù)據(jù)寄存器不匹配）通過描述的錯(cuò)誤串口有發(fā)出一個(gè)更多的長篇報(bào)告，并繼續(xù)進(jìn)行測試。 八 討論 為什么 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) 設(shè)備不發(fā)生閉鎖現(xiàn)象，主要原因是 作電壓低于閉鎖發(fā)生需要的額定電壓。此外，所使用的元件庫還引進(jìn)了重型雙防護(hù)方案 [ 4 ] 。這個(gè)方案已被證明能多次非常有效地使 CMOS 電路完全不受 SEL高達(dá) 120 MeVcm2/mg測試限制的影響 。電路工作在 5, ， CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) 電路也是可以的。 在一個(gè)實(shí)例中，一個(gè)在 非外延 晶圓上制造的 5伏的電路不受 SEL的測試限制的影響。 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò)設(shè)備設(shè)計(jì)即使在考慮到 ，仍選擇繼續(xù)支付防護(hù)的固定成本（ ? 1015 ％ ）。但是，考慮到實(shí)用的回偏電壓，電壓可以超過現(xiàn)在的額定電壓。 B．單粒子翻轉(zhuǎn) CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) 設(shè)備使用的存儲(chǔ)單元的一級結(jié)構(gòu)是單粒子防護(hù)技術(shù)（ SERT） [ 5 ] 。假設(shè)了單粒子防護(hù)技術(shù)單元拓?fù)浜蛦瘟Ｗ臃D(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，預(yù)計(jì)在單粒子防護(hù)技術(shù)單元將完全不受存在內(nèi)部的存儲(chǔ)單元本身的 SEUs的影響。顯然還有其他的事情。 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) 8051 此處所報(bào)告的結(jié)果與 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) CCSDS無損壓縮芯片（ USES）獲得的一些結(jié)果非常相似 [ 6 ] CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) CCSDS無損壓縮芯片的合成使用了與 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) 8051相同的工具和程序庫。 在兩個(gè)有效的線 性能量轉(zhuǎn)移值， MeVcm2/mg 時(shí)， CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) CCSDS無損壓縮芯片 ,SEU截面數(shù)據(jù) [ 7 ]作為一個(gè)頻率的函數(shù)。在橫截面與時(shí)鐘成比例時(shí)，這兩種情況下數(shù)據(jù)與線性模式擬合良好。 在線性能量轉(zhuǎn)移，零攔截頻率基本上發(fā)生在零斷面點(diǎn)，這表明從組合邏輯可以獲得所有這些 SEUs被 SETs。 線性能量轉(zhuǎn)移 ， SET（頻變）的組件是位于的“直流偏置” 組件的上面 大概是發(fā)生內(nèi)部的第二次翻轉(zhuǎn)機(jī)制的單粒子防護(hù)技術(shù)元件有效的線性能量轉(zhuǎn)移閘值排在第二位。 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò)設(shè)備使用的方案是基于單粒子防護(hù)技術(shù)元件容錯(cuò)輸入性質(zhì)，此時(shí)多余的輸入數(shù)據(jù)是提供給單獨(dú)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。思路是多余的輸入數(shù)據(jù)是由一個(gè)總的重復(fù)組合邏輯（稱為“雙軌設(shè)計(jì)” ）提供， 這樣一個(gè)防護(hù)上簡單的 SET就不能產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。因此，其他的一些翻轉(zhuǎn)機(jī)制就要發(fā)生。單個(gè)粒子刪除是把一個(gè) SET放在邏輯流的兩個(gè)半部分上， 邏輯流允許一個(gè) SET產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)。小心地把雙重敏感節(jié)點(diǎn)單粒子防護(hù)技術(shù)元件分開，但組合邏輯路徑的自動(dòng)布線要與雙敏感節(jié)點(diǎn)足夠接近。 在這一點(diǎn)上， CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) SEU理論的解釋是，在一 個(gè)有效的線性能量轉(zhuǎn)移 20個(gè)值中，能量集中點(diǎn)足夠廣泛，足以（和正確的位置）在組合邏輯流的兩個(gè)半部分產(chǎn)生一個(gè) SET。增加有效的線性能量轉(zhuǎn)移使這種效應(yīng)涉及的范圍更廣，由此產(chǎn)生了更大的橫截面。 此外，第二個(gè) SEU機(jī)制，開始約 4060線性能量轉(zhuǎn)移，收集足夠多的干擾，能夠有效地翻轉(zhuǎn)的 單粒子防護(hù)技術(shù)元件的 冗余存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)倍數(shù)。在這 庫，節(jié)點(diǎn)分離是幾微米。 然而，因?yàn)樗恍柝?fù)責(zé)打破 1節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)在 ，具有與晶體管有效的閾值約 70毫伏，這是可能的效果得到遵守。 如圖 9所示的另外一個(gè) 事實(shí)，即每比特內(nèi)存破壞截面 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò)設(shè)備和工業(yè)技術(shù)大約平等，表明元件本身已對翻轉(zhuǎn)敏感。 九 結(jié)論 利用 8051微控制器作為測試工具，完成了對加固工藝（ CMOS超低功耗輻射容錯(cuò)技術(shù) ）單粒子效應(yīng)敏感性的詳細(xì)比較。本文討論了所用到的測試方法并提出了一種比較方法，通過采集數(shù)據(jù)比較工業(yè)技術(shù)與 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò)技術(shù)。 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò)設(shè)備有較高的線性能量轉(zhuǎn)移閘值并且始終不發(fā)生閉鎖現(xiàn)象。除了在線性能量轉(zhuǎn)移最高值時(shí)的存儲(chǔ)器的測試，所有翻轉(zhuǎn)粒子橫截面曲線都比工業(yè)設(shè)備的低 12個(gè)數(shù)量級。此 外，提出了解釋了這些結(jié)果的理論，這個(gè)理論以 CMOS超低功耗輻射容錯(cuò) 技術(shù)為基礎(chǔ)。 本文還證明了把硬度量化成固化工藝的測試方法。通過在器件結(jié)構(gòu)（即，不只是一個(gè)測試芯片）應(yīng)用 HBD技術(shù) ，以及等價(jià)商業(yè)設(shè)備比較結(jié)果， 人們可以有信心在這一的硬度水平將可從該技術(shù)在任何硬件設(shè)計(jì)電路應(yīng)用。 致謝 本文作者要感謝這項(xiàng)工作的發(fā)起者。他們是美國航天局電子零部件和包封程序（ NEPP ） ， 美國航天局的飛行計(jì)劃，防衛(wèi)威脅降低局（ DTRA ） 。