01SEM IP的功能概述

SEM（Soft Error Mitigation）技術(shù)通過目標(biāo)式ECC奇偶校驗(yàn)位注入實(shí)現(xiàn)可觀測的軟錯(cuò)誤模擬。該機(jī)制在配置存儲器幀（CRAM Frame）內(nèi)精確選擇校驗(yàn)位進(jìn)行可控翻轉(zhuǎn)，確保注入錯(cuò)誤位于冗余校驗(yàn)區(qū)域而非功能邏輯位，從而避免對設(shè)計(jì)功能完整性造成干擾。主要應(yīng)用于要求苛刻的場景（如航天、工業(yè)控制等）中，SEM控制器可以確保更高的可靠性水平。至于決定是否要在設(shè)計(jì)中使用SEM IP，需要了解可能性和系統(tǒng)級考慮因素。

圖1. 軟錯(cuò)誤決策樹示例

02SEM IP接口及配置

02.1SEM IP接口介紹

圖2. SEM的參考設(shè)計(jì)的模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)級示例設(shè)計(jì)封裝了SEM控制器和用于控制器與其他設(shè)備接口的通道。值得注意的是，SEM控制器沒有復(fù)位信號。這是由于SEM控制器的任務(wù)是監(jiān)視和維護(hù)原始配置狀態(tài)，而不是從一些臨時(shí)（可能錯(cuò)誤的）狀態(tài)重新啟動(dòng)，故不設(shè)置復(fù)位。它自動(dòng)初始化自身與內(nèi)部同步復(fù)位派生自全局復(fù)位信號的解除。下表展示各個(gè)接口的詳細(xì)描述。

表1. 各個(gè)接口的功能描述

02.2SEM IP配置介紹

圖3. SEM IP配置界面

控制器的模式

從模式上劃分：

SEM IP可以分成六個(gè)模式：

? 緩解和測試

? 僅緩解

? 檢測和測試

? 僅檢測

? 仿真

? 監(jiān)控

按照IP內(nèi)對各個(gè)模式的特性對比，“緩解和測試”是最適合用于測試仿真的模式。該模式與其他模式最核心的差異在于可同時(shí)支持錯(cuò)誤注入和糾錯(cuò)能力。

圖4. SEM IP高級配置界面

錯(cuò)誤分類功能僅在糾錯(cuò)模式（緩解和測試/僅緩解）下可用，用于判斷已糾正的軟錯(cuò)誤是否影響設(shè)計(jì)功能。順帶一提的是，IP默認(rèn)針對開發(fā)板將錯(cuò)誤分類的功能禁用，是因?yàn)樵u估板默認(rèn)不包括外部SPI內(nèi)存。

控制器的時(shí)鐘

控制器的時(shí)鐘周期通過“Clock period”字段設(shè)定，其值越小，頻率值越高，錯(cuò)誤緩解時(shí)間越短。但是設(shè)計(jì)時(shí)需要確保目標(biāo)器件支持設(shè)定的周期，否則會(huì)觸發(fā)警告。下表提供了ICAP FMax的總結(jié)。當(dāng)評估板為目標(biāo)時(shí)，默認(rèn)的控制器時(shí)鐘周期自動(dòng)選擇到基于示例設(shè)計(jì)中提供的特定時(shí)鐘頻率的引腳。

表2. ICAP支持的最大頻率

控制器的結(jié)構(gòu)選項(xiàng)

SEM IP配置中原語（ICAP/FRAME_ECC）的包含方式分為兩種，核心差異是原語的可見性與連接控制權(quán)：

1. 包含在核心中：

適用場景：無其他邏輯需訪問ICAP/FRAME_ECC原語時(shí)。

特點(diǎn)：原語自動(dòng)嵌入核心，連接對用戶透明（不暴露為端口）。

限制：不適用于UltraScale SSI器件。

2. 包含在示例設(shè)計(jì)中：

適用場景：其他邏輯需訪問ICAP/FRAME_ECC原語時(shí)。

特點(diǎn)：原語在示例設(shè)計(jì)層級顯式實(shí)例化，需用戶手動(dòng)連接端口。

03上板實(shí)測

03.1測試環(huán)境搭建

工程的搭建基于xapp1298

硬件平臺：MPSoC（ZCU102）

軟件版本：Vivado2019.1、SDK2019.1

圖5. 工程設(shè)計(jì)示意框圖

在本工程設(shè)計(jì)中，PS通過專用PL時(shí)鐘接口（pl_clk0）給SEM控制器提供ICAP時(shí)鐘信號（icap_clk），ICAP仲裁控制及狀態(tài)LED信號通過PS擴(kuò)展EMIO接口集中管控。

03.2SEM IP調(diào)試

本文在“緩解和測試”模式下進(jìn)行，旨在觀察錯(cuò)誤注入以及IP的糾錯(cuò)功能。其中關(guān)于SEM在運(yùn)行過程中涉及的關(guān)鍵步驟包括：PCAP權(quán)限移交ICAP，時(shí)鐘使能，ICAP仲裁切換行為以及調(diào)試方式。下面圍繞這些詳細(xì)介紹。

PCAP權(quán)限移交ICAP

由于缺乏FPGA的啟動(dòng)獨(dú)立性，MPSoC在調(diào)試過程中必須要在PS啟動(dòng)后，主動(dòng)釋放PCAP權(quán)限，并將配置控制權(quán)移交給ICAP。這是因?yàn)镻CAP和ICAP的功能類似，都是PS訪問配置控制端接口，無法同時(shí)運(yùn)行。因此，像MPSoC器件在使用SEM時(shí)，必須修改寄存器pcap_ctrl（地址0XFFCA3008）的bit0位，將其清零以切換至ICAP控制。否則將會(huì)初始化失敗，導(dǎo)致SEM卡在“Initialization”狀態(tài)，無法啟動(dòng)糾錯(cuò)功能。

圖6. MPSoC pcap_ctrl寄存器

可采用下面的兩種方式實(shí)現(xiàn)寄存器配置：

1. PS側(cè)添加如下代碼

2. XSCT下配置寄存器

BUFGCE使能

觀察圖5會(huì)發(fā)現(xiàn)，時(shí)鐘路徑中集成BUFGCE模塊。該模塊的使能端口CE默認(rèn)為低，是因?yàn)橄到y(tǒng)級的要求下，經(jīng)過MMCM/PLL的時(shí)鐘需要等到穩(wěn)定后才能提供給SEM。比如，在一些用到MIG的場景下，由于MIG做BIST階段需要極高的時(shí)序精度，這個(gè)階段使用SEM會(huì)有概率導(dǎo)致MIG校驗(yàn)錯(cuò)誤，使能開關(guān)的作用可以規(guī)避這一問題。

ICAP仲裁切換行為

ICAP仲裁接口按照下面流程圖的邏輯實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能共享ICAP的機(jī)制。其中，需要注意的是，由于IP不知道在停止訪問ICAP時(shí)是否操縱了配置內(nèi)存，會(huì)導(dǎo)致再次被訪問后會(huì)重新引導(dǎo)和重新初始化。

圖6. ICAP仲裁切換行為流程圖

調(diào)試的方式

主要可以通過下面兩種方式觀察注入錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)，兩者各有優(yōu)勢，按需選擇。

通過VIO的方式，在硬件調(diào)試窗口界面修改錯(cuò)誤注入地址，再執(zhí)行注入觸發(fā)。

通過串口敲擊命令，通常建議使用更簡易的串口指令方式進(jìn)行調(diào)試。

執(zhí)行“I”，可進(jìn)入IDLE狀態(tài)

執(zhí)行“O”，可進(jìn)入Observation狀態(tài)

注入命令輸入“N”+“inject_address”；

執(zhí)行“S”，獲取當(dāng)前狀態(tài)，包括獲取MF（Maximum Frame）的值，確保注入錯(cuò)誤不會(huì)越界。對于不同類型、Virtex-6,7 series和 Zynq-7000、Ultrascale）的器件，MF的大小也不一樣。

當(dāng)SEM發(fā)生狀態(tài)切換，會(huì)輸出對應(yīng)的打印信息，信息以“SC”開頭。錯(cuò)誤類型信息以“FC”開頭，從可糾錯(cuò)與不可糾錯(cuò)、必要錯(cuò)誤和非必要錯(cuò)誤排列可以組合分成4種。

表3. 狀態(tài)報(bào)告

表4. 錯(cuò)誤標(biāo)記報(bào)告

掃描和糾錯(cuò)

圖7. 串口指令控制SEM掃描和糾錯(cuò)

如上圖，通過串口指令，分別調(diào)試注入單bit錯(cuò)誤和多bit錯(cuò)誤后，SEM掃描和糾錯(cuò)的情況。并通過VIO監(jiān)測對應(yīng)實(shí)驗(yàn)下觀測確認(rèn)兩邊的結(jié)果一致，由此證明SEM工作正常。

圖7. VIO指令監(jiān)控SEM掃描和糾錯(cuò)

04SEM注入錯(cuò)誤的補(bǔ)充說明

錯(cuò)誤注入命令只有在配置IP時(shí)，勾選了“錯(cuò)誤注入使能”才能工作。

注入前，需要確認(rèn)為IDLE狀態(tài)，注入后，必須顯示過渡到observation才能讓IP嘗試檢測或糾正。

一次注入超過4個(gè)bit位，超出限制（ECC algorithm-based correction that supports correction of configuration memoryframes with up to 4-bit errors.見pg187），注入命令會(huì)丟失。

此外，如果配置幀，沒有顯示變化，可能是不存在該地址。

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