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使用8051单片机验证和测试单粒子效应的加固工艺
摘要
随着专用抗辐射加固工艺的代工业务的减少，使用非专用代工业务的新技术逐步发展起来。在这篇论文中，我们将在空间环境中讨论单粒子效应(SEE)的验证方法。课题包括需要测试的类型和设计覆盖面(他们是否需爱验证设计库的每个应用程序)。文章所提到的8051单片机核心是根据美国航天局的高级微电子研究所(IAmu;E)的CMOS超低功耗辐射容错技术(CULPRIT)设计的。它是评价两个8051工业用设备单粒子效应缓和技术的一项设计。
关键词：单粒子效应，加固工艺，单片机，辐射效应。
- 引言
美国航天局要在空间辐射环境中最低限度地使用资源条件下，不断努力提供最好科学方法[1,2]。然而，拥有最先进的技术的工业用抗辐射加固微电子器件，几代产品中都有相对局限性，所以美国航天局的这一任务很有挑战性。本文所介绍的方法是使用加固微创设计技术的工业代工。这通常称为加周工艺(HBD)。这种使用设计程序库和自动化设计工具设计的常规加固工艺器件可为美国宇航局提供一种解决方法，它能及时满足严格的科学性能规格，具有成本低，和可靠性高的特点。
但是，仍然存在一个问题:常规辐射加固器件有许多和/或硅片辐射条件测试加固工艺的验证需要哪些类型的试验?
- 加固工艺检测设备的考虑
美国的测试技术是要使单个器件通过如ASTM,JEDEC的，和MILSTD-883等的标准和组织的测试。通常情况下使用的是TID(Co-60)和SEE(重离子和/或质子)来验证器件。那么，什么是HBD器件所独有的验证呢?
由于不采用“常规”工业现成COTS)装置或没有固化的专用集成电路(ASIC)，加固工艺的器件需要确定如何验证设计程序库而不是设备硬度。也就是说，有了测试芯片，我们是不是就可以在未来器件上使用相同的程序库了?
试想，如果卖主人的设计的新的固化I艺程序库可移植性可比卖主B和IC的概好，那么A设计，测试的测试芯片就是可接受的了。9个月后，美国航天局飞都好，那么A设计，测试的测试芯片就是可接受的了。9个月后，美国航天局飞行项目就会使用卖主A的程序库设计了新器件进行组合了。这是否需要完成辐射条件测试?回答这个问题之前，先看一下其他的问题。
如何完整地测试芯片?所有程序库元素来验证每个单元是否有足够的统计覆盖?如果美国航天局新的设计部分使用了设计程序库或使用了没有充分描述的部分，可能就需要全部测试了。当然，如果固化的部分工艺依靠一个进程的固有抗辐射硬度，也可以放弃一些测试(如SEL早先的样本)。
另外，其他考虑因素还包括运作速度和工作电压。例如，如果在电源电压3.3V的条件下，用测试芯片静态地测试单粒子效应，所测得的数据在电源电压2.5V操作频率100MHz的条件下是否适用?动态因素(即非静态操作)包括单粒子瞬变(SETs)的普及效果。更高的频率可能更关注这些。
需要考虑的因素是，设计程序库，测试范围，铸造特点必须是已知的，并且深刻理解测试用途。如果所有这些因素都已经具备或测试芯片已被验证，那么测试就没有必要了。美国航天局的电子零件封装(NEPP)计划是为了探讨这些因素的类型。
- 用8051单片机评估加固工艺
由于性能的不断提高和功耗的不断降低，微控制器在美国航天局和国防部的系统设计上的应用正越来越多。现在，美国航天局和国防部计划正在不断地改进固化工艺。微控制器是一个这样的工具，正在深入量化抗辐射固化的改进。这些计划的实例是Mission研究公司(MRC)与高级微电子研究所(这项研究的重点)所研制的8051微控制器。在自然空间辐射环境中，由于这些固化工艺的使用，美国宇航局在航天飞行中系统中使用验证技术成为必要。
8051单片机是一个行业标准架构，被广泛接受和应用，并作为种开发工具。有许多工业供应商，他们供应这种控制器或把这种控制器集成到某种类型的系统芯片的结构。医学研究理事会和高级微电子研究所都选择这个设备，但他们论证的是两种截然不同固化工艺。医学研究理事会的实例是使用时间锁存，需要具体时间以确保单粒子效应减少到最低限度。高级微电子研究所采用超低功耗，以及布局和建筑固化工艺的设计原则来实现其结果。这些是与Aeroflex联合技术微电子中心(UTMC)完全不同的方法，抗辐射固化的8051的工业供应商，利用抗辐射固化进程研制自己的8051单片机。
一台设备广泛涉及的技术使得8051成为技术评价的理想载体这项工作的目标是从高级微电子研究所得到CMOS超低功耗辐射容错进程的技术评价[3].其他两个过程-英特尔的8051商业设备标准和采用国家最先进的加工从达拉斯半导体版本是这个进程的基础，商业研究一比较了他们的成本效益，性能和可靠性。技术性能的评价是为测试微控制器开发硬件和软件。完备进程中目的是优化测试过程以尽可能获得完整的评价。
这包括利用现有的硬件和在微控制器上运行的软件对所有子处理器进行评价。这个进程还会使我们较完整地理解如何测试复杂的结构，如微控制器，以及将来如何更有效地测试这些结构。
- 测试装置
这一试验的评价使用了三款器件。首先是美国航天局的设备，是进行评估主要设备。其他两个设备是两种版本的商业8051，分别由英特尔公司和美国达拉斯半导体制造。
英特尔的设备是无存储器型，这是经典的8052MCS51单片机电路版。他们工作环境是额定电压 5伏，温度范围在0至70℃,时钟频率为3.5兆赫至24兆赫。他们由英特尔P629.0CHMOSI1-E进程制造的。
达拉斯半导体器件都很相似因为他们都是ROMless8052单片机，但他们加强方式不同。他们的额定电压从4.25至5.5,温度1E0到70℃,时钟频率高达25兆赫。第二次全内置申口，增设七个中断，一个看门狗定时器，一个掉电复位，双数据指针和变速外设访问。此外，重新设计技术核心，最终使该机器周期缩短，从而得到有效的处理能力，这大约是2.5倍(快)比标准的8052器件.不同于器件工作所固有的功能，这些功能没有被利用是为了达拉斯和英特尔的测试代码最大限度地相似。
CMOS设备是MSC-51系列的一个版本，与超低功耗(ULP)进程代工许可的C8051HDL核心兼容。C8051设备在电源电压为500毫伏运行，高压部分包括一个片上输入输出信号电平转换接口。超低功耗辐射容错技术C8051设备需要两个单独的电源电压: S00毫伏和理想的接口电压。C8051是ROMless与MSC-51系列指令系统兼容的。
- 测试硬件
8051被测设备(DUT)作为实用电脑组成部分进行了测试。除了被测设备本身，在被测设备计算机其他组成部分从立即地区辐射光束被删除。一个独特的硬连线标识符字节所带有的小卡(每种被测设备封装类型有一个)控制被测设备，品体，井旁路电容器(和电压电平转换为被测设备)。这种“被测设备板'是由短60导体带状电缆连接到“主板”.各主板的所有其他组件需要被测设备计算机完成，包括在一些设计名义上是没有必要的组件(如外部内存，外部ROM和地址锁存器)。
被测设备计算机和测试控制计算机是由串行电缆连接，而两者之间的通信由控制器(即运行定制的串行接口软件)建立。这个控制器软件涉及被测设备的命令，被测设备码的下载，和被测设备辐射前后搜集来的实时错误。1赫兹信号源为被测设备提供了一个外部看门狗定时信号，其看门狗输出是通过一个示波器监测。监测电源供应来得到闭锁指示。
- 测试软件
8051测试软件的概念很简单。它的目的是要作为一个模块化设计，为被测设备的每一个具体部分的设计一系列小型试验程序。因为每个试验是独立的，他们是独立加载的，在被测设备也是相互独立执行的。这将确保在测试时只有8051被测设备所需的部分在运行，并有助于测试时发生错误的精确定位。全部测试程序先驻存在控制器电脑中，然后通过串行接口加载到被测设备计算机。这样，个别试验可以在任何时间被修改。还可以制定和补充额外的测试，而不会影响整体测试设计。只有驻存在被测设备水久编码，是启动代码和在控制器PC与被测设备建立之间的通信的串行代码装入例行程序。所有执行的测试程序:
- 外部通用异步接收和发送装置(UART接口)，用来传送错误信息和控制器计算机之间的通信。
- 外部实时时钟，作为数据错误标记。
- 看门狗，必要时为8051正常运行和重新启动的可视化确认提供测试代码。
- “混乱”的例行程序，如果它偏离代码空间就会重置程序计数器。
- 外部遇测数据存储器，数据传输发生中断时提供的数据备份。
应当指出的是，考虑到所有接收数据最高的可靠性，每个试验中，返回遥测(包括时间标记)被同时送往测试控制器和遥测内存。每一个软件测试使用简要介绍如下:
- 中断 — 这项测试用到6个可用中断矢量图中的4个来触发例程(串行，外部，定时器0溢出，以及定时器1溢出)，累加器定明地与一个已知值比较，然后启动例行程序顺序地修改累加器的值。意外值传与寄存器信息一起传送。
- 逻辑 — 这个测试进行了一系列的逻辑和数学计算，并提供三种类型的错误鉴定:1)加法/减法，2)逻辑运算，3)乘法除法。计算和期望值的所有不匹配与其他有关寄存器信息一起传送。
- 存储器 — 这项测试问接地用0x55模式装在内部数据存储器的地址D: 0x20到D: 0xff (或D: 0x20到D: 0x080为CMOS超低功耗辐射容错被测设备)。当出错信息和寄存器值被传送，不断进行比较，纠正。
- 程序计数器 — 取不同的偏移地址时，该程序计数器是用来取常数的。常数与已知值进行比较，不匹配结果与有关寄存器信息起传送。
- 寄存器 — 这项测试程序装在中的四(0,1,2,3)段的通用寄存器或者0xAA(段0和2)或0x55(段1和3)模式交替为了测试状态字(PSW)特殊功能寄存器，其中控制通用寄存器段的选择。然后通用寄存器段，比较他们的预期值。所有不匹配被更正，错误信息传送。
- 特殊功能寄存器(SFR) — 这项测试使用可特殊功能寄存器21位中的12位的已知静态值，然后不断地比较已知值与当前值。不匹配与已知值和错误信息被重新装入。
- 栈 — 这项测试通过把操作数压入和弹出堆栈进行运算。意外值由于堆栈的错误或堆栈指针本身和有关的寄存器信息被传送。
- 测试方法
通过执行位于地址0x0000指令代码来启动被测设备计算机。起初，这个地址的设备是一个以前载有“开机申行装载机”代码的可擦写可编程只读存储器.此代码初始化被测设备计算机及接口通过串行连接的计算机的控制，“测试控制器'。被测设备计算机下载测试代码并把它放入程序代码存储器(位于被测设备计算机主板) 。然后启动电路，同时进行两个功能: 被测设备的复位线保持有效一段时间(约10毫秒) : 并且，驻存在程序码RAM的测试代码映射到地:0x0000 (在被测设备计算机内存空间该可擦写可编程只读存储器将不再被访问)。苏醒后，从重置，通过执行地址00000指令代码再次启动被测设备电脑但这个时候，代码不是启动/串行装入程序代码，而是测试代码。
不论在被测设备计算机的功能性如何，测试控制计算机始终保留了强制重置/映射功能。因此如果测试运行没有一个单一事件功能中断( SEFI )无论是被测设备计算机本身或测试控制器可以终止了测试，井允许执行后测试功能。如果SEF发生，测试控制器强制重新启动到开机申行装入程序代码然后执行后的测试功能。
- 讨论
- 单粒子闭锁
为什么CMOS超低功耗辐射容错设备不发生闭锁现象，主要原因是0.5伏特工作电压低于闭锁发生需要的额定电压。此外，所使用的元件库还引进了重型双防护方案[4]●这个方案已被证明能多次非常有效地使CMOS电路完全不受SEL高达120 MeV-cm2/mg测试限制的影响。电路工作在5,3.3和2.5伏特是可以的，0.5伏特的CMOS超低功耗辐射容错电路也是可以的。
在一个实例中，一个在非外延晶圆上制造的5伏的电路不受SEL的测试限制的影响。CMOS超低功耗辐射容错设备设计即使在考虑到0.5伏的电路时，仍选择继续支付防护的固定成本。但考虑到实用的回偏电压，电压可以超过现在的额定电压。
- 单粒子翻转
CMOS超低功耗辐射容错设备使用的存储单元的级结构是单粒子防护技术(SERT) [5] 。假设了单粒子防护技术单元拓扑和单粒子翻转节点，预计在单粒子防护技术单元将完全不受存在内部的存储单元本身的SEUs的影响。显然还有其他的事情。CMOS超低功耗辐射容错8051此处所报 告的结果与CMOS超低功耗辐射容错CCSDS无损压缩芯片(USES)获得的些结果非常相似[6]CMOS超低功耗辐射容错CCSDS无损压缩芯片的合成使用了与CMOS超低功耗辐射容错8051相同的工具和程序库。
在两个有效的线性能量转移值，37.6和58.5 MeV cm2/mg时，CMOS超低功耗辐射容错CCSDS无损压缩芯片,SEU截面数据[7]作为一个频率的函数。在横截面与时钟成比例时，这两种情况下数据与线性模式拟合良好。在线性能量转移37.6情况下，零拦截频率基本上发生在零断面点，这表明从组合逻辑可以获得所有这些SEUs被SETs.线性能量
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