CN104102562A - 一种基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法 - Google Patents

Abstract

一种基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法，其步骤为：(1)功能模块划分；分析***的硬件结构、接口特性和功能实现逻辑，将***进行功能模块划分，每个功能模块均是能够完成独立任务的子电路***；(2)建立元胞空间，构建元胞自动机；将整个***视作一个元胞空间，每个功能模块视为其中一个元胞，依据元胞的连接关系选择合适的邻居关系；确定元胞间的耦合度和传播规则；确定元胞的状态演化过程；(3)进行传播分析；假设某一功能模块发生单粒子软错误，即相对应的元胞加入故障扰动，依据传播规则分析***中单粒子软错误的传播过程及影响。本发明具有原理简单、操作简便、复杂度低、能够提高分析方法精度等优点。

Description

一种基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法

技术领域

本发明主要涉及到于电子***可靠性分析领域，特指一种基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法。

背景技术

运行在空间辐射环境或者核***环境中的电子***极易受到单粒子效应的影响，单粒子效应虽然发生在***的某一部位或模块，但在单粒子软错误的发生后，对应的功能模块会出现故障，并且经过功能模块与其他模块的故障耦合和传播，故障会扩散到输出端，有一定几率导致***的输出错误或功能失效，最终一个单粒子软错误却引起整个***的功能失效，所以必须针对***中单粒子软错误的传播扩散过程进行分析。

目前，对分析单粒子软错误传播方面的研究相对较少，尤其在***层面，大部分的分析都是基于器件级和电路级的，利用2D、3D器件模型或者电路网表注入单粒子故障的形式来模拟电路中的单粒子软错误传播。而在***层面软错误，由于过于抽象，具体的电路建模过程过于复杂，而且分析难度极大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、复杂度低、能够提高分析方法精度的基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法，其步骤为：

(1)功能模块划分；分析***的硬件结构、接口特性和功能实现逻辑，将***进行功能模块划分，每个功能模块均是能够完成独立任务的子电路***；

(2)建立元胞空间，构建元胞自动机；将整个***视作一个元胞空间，每个功能模块视为其中一个元胞，依据元胞的连接关系选择合适的邻居关系；确定元胞间的耦合度和传播规则；结合元胞空间、邻居关系、传播规则，确定元胞的状态演化过程。

(3)进行传播分析；假设某一功能模块发生单粒子软错误，即相对应的元胞加入故障扰动，依据传播规则分析***中单粒子软错误的传播过程及影响。

作为本发明的进一步改进：所述步骤(2)中，利用仿真工具建立与模型需要模拟的元胞空间，初始化元胞空间，按功能模块的分布对相应的元胞取1或者0，0表示该元胞为空，1表示该元胞含有功能模块，确定元胞的邻居类型和元胞空间的边界条件，确定每个元胞的耦合矩阵c_ij。

作为本发明的进一步改进：所述步骤(2)建立的元胞空间中包含：

(a)由于功能模块间信号流的特点，所述元胞空间内的元胞间的耦合是有方向的，所述方向为单向或双向；

(b)所述功能模块之间的影响是独立的，即一个功能模块与周围各个功能模块的耦合度是不同的。

作为本发明的进一步改进：所述步骤(3)进行传播分析时具体包括以下步骤：

(3.1)t＝0时刻，假设***正常运行，设定此时各个元胞的故障程度值，即S_ij(t)<δ；

(3.2)t＝1时刻，元胞空间中的某一元胞发生单粒子软错误，产生故障扰动R；

(3.3)t＝2时刻，元胞自动机开始运行，依次判断每个元胞的故障程度值，如果大于阈值δ，则认为此模块发生故障，统计总的故障元胞数M(t)；

(3.5)从t＝3时刻起，元胞自动机每执行一步，统计空间中发生故障的元胞个数M(t)，若M(t+1)>M(t)，则重复执行步骤(3.4)，若M(t+1)＝M(t)，则单粒子故障不再传播，停止元胞自动机运行。

作为本发明的进一步改进：所述元胞自动机中元胞的邻居关系为形式一、形式二或形式三；所述形式一为每个元胞只受其周围四个方向的四个邻居元胞的影响，所述形式二为每个元胞受周围8个邻居元胞的影响，所述形式三为每个元胞会受到周围的24个邻居元胞的影响。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明针对单粒子效应敏感的电子***，对其进行功能模块划分，利用元胞自动机对***中单粒子软错误的传播过程进行分析。本发明将***看作一个元胞空间，每个功能模块都看作元胞空间中的一个元胞，元胞之间的耦合度为模块间的单粒子软错误传播率，并依据***中模块的连接和信号流向，确定元胞自动机中故障的传播规则，分析***中某一模块发生单粒子软错误后，整个***的状态演化，以及各个模块在接下来时刻的故障程度值，直到发生故障的功能模块不再增加，***达到稳定状态。该分析方法能够降低***的复杂度，直观分析***中单粒子软错误的传播过程，并且能够合理评估***模块间的故障耦合度、故障扰动的等因素的影响。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2a是本发明中元胞的邻居关系形式一的示意图。

图2b是本发明中元胞的邻居关系形式二的示意图。

图2c是本发明中元胞的邻居关系形式三的示意图。

图3是本发明在具体实施例中的详细流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法，其步骤为：

(1)功能模块划分；分析***的硬件结构、接口特性和功能实现逻辑，将***进行功能模块划分，每个功能模块是能够完成独立任务的子电路***；

(2)建立元胞空间，构建元胞自动机；将整个***视作一个元胞空间，每个功能模块视为其中一个元胞，依据元胞的连接关系选择合适的邻居关系；确定元胞间的耦合度和传播规则；结合元胞空间、邻居关系、传播规则等，确定元胞的状态演化过程。

(3)进行传播分析；假设某一功能模块发生单粒子软错误，即相对应的元胞加入故障扰动，依据传播规则分析***中单粒子软错误的传播过程及影响。

在本发明中，是运用元胞自动机的方法对故障的传播过程进行抽象和量化分析。元胞自动机是时间、空间和状态都离散的动力学模型，它通过简单的基元和简单的规则产生复杂现象，可模拟单元之间有强烈耦合作用的复杂***动态过程。复杂***的故障传播可视为由***各组件之间耦合作用引起的动态过程。元胞自动机包括以下几个部分：

元胞：是元胞自动机最基本的组成部分，均匀分布在离散的一维或多维的元胞空间内，每个元胞包含一个或多个离散状态值，元胞每一时刻的状态值取决于且只取决于上一时刻自身以及其邻居的状态值。取元胞的输出状态空间为：{-1,0,1}。其中{-1}表示该元胞处于失效或故障状态，{1}表示该元胞处于正常状态，{0}表示空元胞。

元胞空间：是指元胞分布所在的网格空间的集合，主要包括空间几何结构和边界条件。其中，几何结构包括一维和多维的元胞自动机。对于一维元胞自动机空间几何结构为一种直线形式；对于多维元胞自动机，元胞空间内网格排列形式多样。

邻居：在元胞空间内的一个元胞周围并能够与之产生影响的所有元胞都称为该元胞的邻居。一个元胞在下一时刻的状态决定于当前时刻本身状态和它的邻居元胞的状态。二维元胞自动机中有几种典型的邻居形式，如图2a所示的Von.Neumann型邻居形式中，每个元胞只受其周围四个方向的四个邻居元胞的影响；如图2b所示的Moore型邻居形式中，每个元胞受周围8个邻居元胞的影响；如图2c所示的扩展的Moore型邻居是对Moore型邻居的扩充，元胞会受到周围的24个邻居元胞的影响。

规则：根据元胞当前状态及其邻居状况确定下一时刻元胞状态的函数，只针对元胞个体操作，它可以记为：其中S为t时刻的邻居状态组合，称为元胞自动机的局部函数或局部规则。

例如，在通常情况下，对于Von.Neumann型邻居形式(二维四邻居)，元胞自动机的演化规则表示为以下三式：

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)=(1-c)S_{\mathrm{ij}}(t-1)+\\ \frac{c(x_1{S}_{\mathrm{ij}-1}(t-1)+x_2{S}_{\mathrm{ij}+1}(t-1)+x_3{S}_{i-1j}(y-1)x_4{S}_{i+1j}(t-1))}{x_1+x_2+x_3+x_4}\end{array}$

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)=(1-c)S_{\mathrm{ij}}(t-1)+\\ \frac{c(x_1{S}_{\mathrm{ij}-1}(t-1)+x_2{S}_{\mathrm{ij}+1}(t-1)+x_3{S}_{i-1j}(t-1)+x_4{S}_{i+1j}(t-1))}{x_1+x_2+x_3+x_4}R\end{array}$

式中：

(1)A表示t时刻元胞r的输出状态，其值可取-1、0和1。状态为1表示元胞正常运行，状态为-1表示元胞发生错误，状态为0表示元胞为空，即没有模块；

(2)c表示元胞间故障耦合度，在(0,1)范围内取值；

(3)S_ij是元胞(i,j)的故障程度值，其值越大，对应的元胞发生故障的几率越大，假设S_ij有一个阈值δ，当S_ij>δ时，就认为该元胞处于故障状态；

(4)x₁，x₂，x₃，x₄用于标记元胞r的左右上下邻居是否为空元胞，若有某个邻居为空元胞，则其对应值为0，否则取1；

(5)R表示扰动值，在[0,+∞)范围内取值，表示某个基本模块功能故障的内部或外部原因。

在上述步骤(2)中，本发明进一步结合单粒子敏感***和单粒子软错误传播的特点，对耦合度和传播方向进一步优化：

(a)由于功能模块间信号流的特点，模块(元胞间)的耦合是有方向的，可以是单向，也可以是双向；如模块(i,j)的信号流向模块(i+1,j)，而模块(i+1,j)的信号对模块(i,j)不产生影响，那么模块(i,j)对模块(i+1,j)的耦合度为c_ij,i+1j，而模块(i+1,j)对模块(i,j)的耦合度为0。

(b)功能模块之间的影响是独立的，一个模块与周围各个模块的耦合度是不同的。

例如，对于Von.Neumann型邻居形式，改进后位置为(i,j)的元胞收到周围4个元胞以及自身所受反馈和扰动R的影响，耦合矩阵c_ij为：

c_ij＝(c_ij,ij c_ij-1,ij c_ij+1,ij c_i-1j,ij c_i+1j,ij)

耦合(coupling)矩阵c_ij中，每个矩阵元表示分布在模块(i,j)周围的模块对(i,j)的耦合因子，其中c_ij,ij表示发生故障模块的自身耦合因子。

所以，依据元胞的上一时刻状态和耦合矩阵，如果***未发生单粒子故障扰动，元胞(i,j)下一时刻的状态为：

S_ij(t)＝c_ijS_ij(t-1)＝c_ij-1,ijx₁S_ij-1(t-1)+c_ij+1,ijx₂S_ij+1(t-1)+c_i-1j,ijx₃S_i-1j(t-1)+c_i+1j,ijx₄S_i+1j(t-1)+c_ij,ijS_ij(t-1)

当元胞(i,j)发生故障扰动R时，元胞(i,j)的下一个时刻的状态演化为：

S_ij(t)＝c_ijS_ij(t-1)+R＝c_ij-1,ijx₁S_ij-1(t-1)+c_ij+1,ijx₂S_ij+1(t-1)+c_i-1j,ijx₃S_i-1j(t-1)+c_i+1j,ijx₄S_i+1j(t-1)+c_ij,ijS_ij(t-1)+R

在具体应用实例中，如图3所示，本发明基于元胞自动机模拟分析单粒子软错误***级的详细实施步骤为：

(1)利用仿真工具(如MATLAB)，建立与模型需要模拟的元胞空间，初始化元胞空间，按功能模块的分布对相应的元胞取1或者0，0表示该元胞为空，1表示该元胞含有功能模块，确定元胞的邻居类型和元胞空间的边界条件，确定每个元胞的耦合矩阵c_ij；

(2)t＝0时刻，假设***正常运行，设定此时各个元胞的故障程度值(S_ij(t)<δ)；

(3)t＝1时刻，元胞空间中的某一元胞发生单粒子软错误，产生故障扰动R；

(4)t＝2时刻，元胞自动机开始运行，依次判断每个元胞的故障程度值，如果大于阈值δ，则认为此模块发生故障，统计总的故障元胞数M(t)；

(5)从t＝3时刻起，元胞自动机每执行一步，统计空间中发生故障的元胞个数M(t)，若M(t+1)>M(t)，则重复执行步骤4，若M(t+1)＝M(t)，则单粒子故障不再传播，停止元胞自动机运行。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法，其特征在于，步骤为：

(1)功能模块划分；分析***的硬件结构、接口特性和功能实现逻辑，将***进行功能模块划分，每个功能模块均是能够完成独立任务的子电路***；

(2)建立元胞空间，构建元胞自动机；将整个***视作一个元胞空间，每个功能模块视为其中一个元胞，依据元胞的连接关系选择合适的邻居关系；确定元胞间的耦合度和传播规则；结合元胞空间、邻居关系、传播规则，确定元胞的状态演化过程；

(3)进行传播分析；假设某一功能模块发生单粒子软错误，即相对应的元胞加入故障扰动，依据传播规则分析***中单粒子软错误的传播过程及影响。

2.根据权利要求1所述的基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中，利用仿真工具建立与模型需要模拟的元胞空间，初始化元胞空间，按功能模块的分布对相应的元胞取1或者0，0表示该元胞为空，1表示该元胞含有功能模块，确定元胞的邻居类型和元胞空间的边界条件，确定每个元胞的耦合矩阵c_ij。

3.根据权利要求2所述的基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法，其特征在于，所述步骤(2)建立的元胞空间中包含：

(a)由于功能模块间信号流的特点，所述元胞空间内的元胞间的耦合是有方向的，所述方向为单向或双向；

(b)所述功能模块之间的影响是独立的，即一个功能模块与周围各个功能模块的耦合度是不同的。

4.根据权利要求2或3所述的基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法，其特征在于，所述步骤(3)进行传播分析时具体包括以下步骤：

(3.1)t＝0时刻，假设***正常运行，设定此时各个元胞的故障程度值，即S_ij(t)<δ；

(3.2)t＝1时刻，元胞空间中的某一元胞发生单粒子软错误，产生故障扰动R；

(3.3)t＝2时刻，元胞自动机开始运行，依次判断每个元胞的故障程度值，如果大于阈值δ，则认为此模块发生故障，统计总的故障元胞数M(t)；

(3.5)从t＝3时刻起，元胞自动机每执行一步，统计空间中发生故障的元胞个数M(t)，若M(t+1)>M(t)，则重复执行步骤(3.4)，若M(t+1)＝M(t)，则单粒子故障不再传播，停止元胞自动机运行。

5.根据权利要求1或2或3所述的基于元胞自动机的单粒子软错误***级传播分析方法，其特征在于，所述元胞自动机中元胞的邻居关系为形式一、形式二或形式三；所述形式一为每个元胞只受其周围四个方向的四个邻居元胞的影响，所述形式二为每个元胞受周围8个邻居元胞的影响，所述形式三为每个元胞会受到周围的24个邻居元胞的影响。