[发明专利]一种基于输入和输出数据操作的FIR滤波器故障注入方法

说明书

本发明涉及一种基于输入和输出数据操作的FIR滤波器故障注入方法，设FIR滤波器的抽头为L，故障注入方法为：将原有FIR处理逻辑进行复制，形成一个两支路的FIR滤波器并行处理结构，分别称为第一FIR滤波器和第二FIR滤波器，并尽可能加长所产生的输入数据流；将输入数据每隔L长就修改一个输入数据，对第一滤波器进行故障注入，而第二FIR滤波器的输入数据保持不变，将两路FIR滤波器的输出进行交叉合并。

技术领域

本发明属于信号处理领域，涉及信号处理的容错设计，尤其是涉及针对FIR滤波器的故障注入和容错设计的应用。

背景技术

嵌入式系统(包括数字信号处理器DSPs、可编程逻辑FPGAs等)凭借其强大的计算能力和可重复编程功能，已经越来越多地被考虑用于一些高可靠性的环境中，其中星载数字信号处理平台是很重要的一个应用场景^[1]。但是正是其可配置、可编程的特性，使这类期间对于空间粒子辐照效应比较敏感，而这其中最重要的效应就是单粒子翻转(SEU)，它是造成DSP和FPGA故障的主要原因^[1]。因此，设计高可靠性SEU容错方法是将DSP和FPGA成功应用于星上有效载荷的关键。由于数学模型不能完全描述系统故障行为^[2]，为了严格评价容错方法有效性，需要使用地面辐照或故障注入实验等手段来模拟故障造成的影响。由于地面辐照实验成本较高，且容易造成对器件、平台的不可逆的损坏，所以一般只在系统开发的最后阶段使用。相对而言，故障注入方法成本较低，且操作灵活，非常适合系统开发初期针对关键模块的容错性能验证。

对于一般嵌入式系统，故障注入可分为硬件故障注入、软件故障注入和模拟故障注入三类^[2][5][9]。

(1)“硬件故障注入”：通过物理手段直接将故障注入到目标系统的硬件中。具体来说，需要将探针连接到系统的某些管脚，以强制将系统内的某些逻辑为或者存储单元置成指定的值。由于并不是所有的SEU敏感节点都可以用探针直接或间接地连接到，这种方法的使用范围很有限[9]。尤其是对基于SRAM的FPGA(SRAM-FPGA)来说，大部分SEU敏感节点都使SRAM单元，无法通过探针进行连接，所以硬件故障注入方法不适于针对SRAM-FPGA的故障注入。

(2)“软件故障注入”：通过调用系统的指令集来实现对存储器或寄存器内容的修改，以及逻辑功能的改变，从而模拟SEU效果。这个修改过程需要使用系统的指令集，因此称其为软件方法。该方法的优点是开发过程相对简单，无需复杂装置，缺点是只能修改指令集操作范围内的部分。文献[10]提出的FERRARI系统就属于这类。对SRAM-FPGA系统来说，就是在原有VHDL设计当中插入修改存储器或寄存器内容的语句，以达到模拟SEU的目的。对于DSP系统来说，就是在原有C代码或者汇编代码设计中插入修改存储器或寄存器内容的语句，以达到模拟SEU的目的。这种方法虽然简单，但每次都要重新进行编译和综合，比较耗时。

(3)“仿真故障注入”：利用硬件描述语言为测试系统建立硬件仿真模型，然后在模型内部插入故障注入单元来实现故障的注入。这种方法的优点是可控性好，缺点是建立仿真模型比较困难。文献[11]和[12]都是这类方法的实例。对于基于FPGA的系统来说，所有功能原本就是用硬件描述语言建立的，因此在FPGA开发各个阶段注入故障的方法都可以归为仿真故障注入方法。而上面提到的“软件故障注入”方法只是在VHDL模型设计阶段进行故障注入，因此也可视为仿真故障注入的一种方式。

综上可知，硬件故障注入方式最为直接，但是成本和复杂度最高，且可注入故障的区域有限；软件和仿真故障注入方式的复杂度相对降低，也比较灵活，但是由于故障注入逻辑需嵌入到原有逻辑之中，因此都需要对原有信号处理逻辑进行重新设计，这对于一些复杂的处理逻辑来说实施难度较大。