第1章 绪论 1
1.1 单粒子效应的影响及发展趋势 2
1.2 VLSI单粒子效应防护的紧迫性 6
1.3 VLSI单粒子效应研究综述 7
参考文献 11
第2章 空间环境 12
2.1地球大气和电离层 14
2.1.1地球大气的成分 14
2.1.2大气对航天器飞行的影响 16
2.2地球磁场与磁层 16
2.2.1地球磁场 16
2.2.2地球磁层 17
2.2.3磁层亚暴 19
2.2.4空间等离子体对航天器的影响 19
2.3空间粒子与辐射环境 20
2.3.1无辐射空间粒子 20
2.3.2辐射空间粒子 22
2.4空间真空环境 27
2.5空间碎片 28
2.5.1空间碎片的来源 29
2.5.2空间碎片的分类 30
2.5.3空间碎片对航天器的影响 31
2.6 NASA的空间环境计划 31
2.6.1计划的策划与组织 32
2.6.2计划的技术活动 35
参考文献 38
第3章VLSI的单粒子效应 39
3.1单粒子效应电荷收集模型 39
3.1.1漏斗模型 40
3.1.2粒子分流模型 43
3.2高能粒子能量沉积的分布特性 45
3.2.1空间分布特性 46
3.2.2时间分布特性 47
3.3重离子、质子和中子的单粒子效应特点 49
3.3.1重离子、α粒子单粒子效应 50
3.3.2质子单粒子效应 52
3.3.3中子单粒子效应 53
3.4 VLSI单粒子效应类型与影响 55
3.4.1单粒子翻转 57
3.4.2单粒子多位翻转 58
3.4.3单粒子瞬态脉冲 59
3.4.4单粒子功能中断 59
3.4.5单粒子闭锁 60
3.5 VLSI单粒子翻转率预估方法 61
3.5.1质子单粒子翻转率预估方法 62
3.5.2重离子单粒子翻转率预估方法 64
3.5.3 FOM方法 66
参考文献 68
第4章VLSI的单粒子效应故障模式与特性 72
4.1单粒子效应故障模式与特性的研究现状 73
4.2 SRAM型FPGA单粒子效应故障模式与特性 75
4.2.1 SRAM型FPGA结构描述 75
4.2.2 FPGA单粒子效应故障特性 77
4.2.3配置存储器SEU引起的故障 79
4.2.4其他故障类型 82
4.2.5 Xilinx系列FPGA单粒子效应截面 84
4.3 DSP单粒子效应故障模式与特性 87
4.3.1 DSP结构描述 87
4.3.2 DSP单粒子效应故障特性 88
4.3.3存储型模块SEU引起的故障 91
4.3.4功能型模块SET/SEFI引起的故障 92
4.3.5一些常用处理器的单粒子效应截面 92
4.4 FPGA和DSP单粒子故障的位置可访问性 95
4.5 FPGA和DSP的单粒子效应故障分析模型 98
4.5.1基本假设 98
4.5.2单粒子效应故障分析模型 99
4.5.3单粒子效应故障分析模型的状态描述 104
4.6单粒子效应故障的伴随特性 106
4.6.1 FPGA和DSP单粒子效应故障的特点 106
4.6.2伴随特性 107
4.6.3伴随特性的量化分析 110
参考文献 112
第5章 单粒子效应实验与验证方法 115
5.1常用的单粒子效应研究方法 115
5.1.1卫星搭载试验 116
5.1.2地面高能粒子模拟实验 118
5.1.3脉冲激光模拟实验 119
5.1.4故障注入模拟实验 120
5.1.5计算机数值模拟 122
5.2故障注入问题 124
5.2.1故障注入的分类 125
5.2.2故障注入模型 126
5.2.3单粒子效应故障注入的实验要求 130
5.3位置不可访问故障的注入方法 132
5.3.1单粒子效应故障模型 132
5.3.2位置不可访问故障模型的修正方法与量化分析 133
5.3.3 FPGA位置不可访问故障的等效注入 136
5.3.4 DSP位置不可访问故障的等效注入 139
5.4故障注入器的设计与实现 141
5.4.1故障注入器的组成结构 142
5.4.2故障注入实验中的数据通道 143
5.4.3故障注入实验流程 144
参考文献 145
第6章FPGA单粒子效应故障检测与加固设计 149
6.1 FPGA单粒子效应防护技术现状与研究思路 149
6.1.1技术现状 149
6.1.2研究思路 151
6.2 FPGA运算单元单粒子故障的检测方法 154
6.2.1运算结果校验思路 154
6.2.2 Berger结果检验法 156
6.2.3余数校验法 157
6.2.4结果检验的实现与代价分析 158
6.3基于“逻辑探针”的单粒子效应故障间接检测方法 160
6.3.1“逻辑探针”检测方法 162
6.3.2“逻辑探针”的实现与代价分析 164
6.4可综合代码级的FPGA单粒子效应防护设计 167
6.4.1时间滤波冗余设计 168
6.4.2时序电路抗SET考虑 170
6.4.3 Half-Latch的预防 171
6.4.4 IOB设计考虑 172
6.4.5 DCM设计考虑 173
6.5基于伴随特性的布线级抗SEU-MBE设计 176
6.5.1 SEU-MBE及其产生原因 178
6.5.2解决SEU-MBE的区域约束法 181
6.5.3解决SEU-MBE的布线修正算法 184
6.6 FPGA单粒子效应检测与加固设计性能分析 188
6.6.1单粒子效应检测性能分析 189
6.6.2单粒子效应加固设计性能分析 194
参考文献 201
第7章DSP单粒子效应故障检测与加固设计 205
7.1 DSP单粒子效应防护技术现状与研究思路 205
7.1.1技术现状 205
7.1.2研究思路 207
7.2关键变量的LS-TMR方法 209
7.3程序执行流程的跳转区间监测方法 212
7.3.1代码的冗余设计 215
7.3.2跳转区间监测法 217
7.4功能模块的检错及修复 222
7.4.1运算单元 222
7.4.2程序区、重要表格的PreSC 224
7.4.3 L1 Cache的处理 225
7.4.4剩余程序空间的处理 227
7.5 DSP单粒子效应防护设计的性能 228
7.5.1程序代码CE-FT性能分析 229
7.5.2功能型模块SEE故障检测与加固设计性能分析 234
7.5.3 DSP单粒子效应故障综合检测与容错性能 235
7.5.4关于故障修复 237
参考文献 239
第8章 空间电子仪器平台抗单粒子效应体系结构 242
8.1抗单粒子效应的体系结构设计研究现状 243
8.2空间电子仪器平台的金字塔形可靠性结构 246
8.2.1体系结构描述 246
8.2.2工作机制 248
8.2.3 DSP阵列的互补性设计 249
8.3 DSP功能模块的状态监测 253
8.4 FPGA和DSP的动态回读与重构 255
8.4.1 FPGA配置存储器的动态回读与重构 255
8.4.2 DSP功能的动态重构 264
8.5空间电子仪器平台可靠性分析 266
8.6空间电子仪器平台单粒子效应防护设计的实验验证 271
参考文献 273
第9章 FPGA和DSP单粒子效应加速器实验 275
9.1实验目的 275
9.2实验设计 276
9.2.1实验被测系统 276
9.2.2束流相关情况 279
9.2.3测试系统和实验布局 280
9.2.4实验现场 281
9.3实验过程 283
9.4实验结果 285
9.4.1 DSP实验结果 286
9.4.2 FPGA实验结果 291
9.5实验意义 295
第10章 单粒子防护技术的应用情况 297
10.1单粒子效应故障注入系统 297
10.2扩频通信接收机的单粒子防护设计 298
10.3扩频应答机中的单粒子防护设计 299
10.4 SEIP单粒子效应防护设计的一般研究流程 301
10.5空间电子仪器VLSI单粒子防护技术研究计划 303
附录 305
附录1 国内外著名的粒子加速器实验室 305
附录1.1加速器发展史 306
附录1.2德国电子同步加速器 313
附录1.3费米国家实验室 315
附录1.4布鲁克海文国家实验室 317
附录1.5美国康乃尔大学基本粒子物理实验室 323
附录1.6美国劳伦斯伯克力国家实验室 329
附录1.7欧洲核子研究中心 331
附录1.8日本国家高能物理研究所 333
附录1.9斯坦福直线加速器 335
附录1.10中国兰州重离子加速器国家实验室（HIRFL） 339
附录2 配置存储器动态重配置命令列表 344
附录3 4bits计数器的硬件描述代码 345
附录4 配置存储器回读命令列表 346
主要符号 348
主要缩略语 351