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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PreSC224

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