在星载信号处理系统中已经多次成功地用到了数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP），如PoSat-1中用到的TI公司的TMS320 C30/25，MightySat-Ⅱ中用到的TI公司的TMS320 C40等，波音公司的Thuraya-1将一种超级DSP用于通信信号的处理，而且该DSP目前仍运行良好。然而，高运算能力的数字信号处理器在空间环境中的可靠性设计仍然是一个难题。随着处理器运算速度的提高（如TI公司600 MHz主频的6000系列DSP，运算能力甚至高达4 800 MIPS），辐射效应的影响越来越严重，需要有针对性地对更高性能DSP进行辐射效应研究和可靠性设计。
为克服空间高能粒子辐照造成的影响，应用于航天系统中的DSP芯片通常利用抗辐照器件对其硬件进行特殊保护。抗辐照器件加固的DSP芯片能够有效屏蔽瞬态故障，但由于其应用范围有限，需求量小，所以发展缓慢，其性能远落后于商用芯片（Commercial Off-the-Shelf，COTS）。此外，抗辐照DSP设计复杂、造价昂贵，冗余的硬件设计使得其面积和功耗都成倍增加。随着芯片集成度的增加，单纯通过抗辐照芯片已不能完全消除瞬态故障造成的影响。
COTS DSP芯片相比于抗辐照DSP而言，应用范围更加广泛、需求量大、产品更新换代快，其性能和价格以及功耗方面相较于抗辐照芯片都具有明显优势，因此在航天系统中利用COTS DSP代替抗辐照DSP成为研究热点。然而，由于COTS DSP的集成度远高于抗辐照DSP，且在芯片设计过程中并未考虑SEU故障影响，其可靠性无法达到航天标准，要提高COTS芯片在空间系统中的可靠性，必须采用其他方式对其进行加固。因此，研究人员提出利用软件容错的方式加固COTS芯片，具体而言，就是利用COTS丰富的计算资源，对运行在芯片上的程序进行冗余复算，以达到或接近抗辐照器件硬件冗余的效果。这种基于软件冗余复算的技术也被称为软加固技术。相较于硬件抗辐照器件而言，利用软加固技术提高COTS DSP芯片具有低成本、高性能、高可靠性、高灵活度等特点，而且其开发的周期短，效率高。因此，通过软加固提高COTS芯片可靠性，已经在航天领域得到广泛运用。
（二）数字信号处理器单粒子效应故障表现形式
由于DSP是基于SRAM工艺，因此内部存储区和寄存器极易受到单粒子效应的影响。根据DSP电路单元对单粒子效应的敏感性和故障类型研究，将单粒子效应对DSP的影响主要分为三类：存储型模块的单粒子翻转故障、功能型模块的单粒子瞬态脉冲故障和单粒子功能中断故障。其中，存储型模块主要包括程序存储器（P-RAM）和数据存储器（D-RAM）、程序缓存区（L1P Cache）和数据缓存区（L1D Cache）、通用寄存器和控制寄存器；功能型模块主要包括：算术逻辑单元、指令管理、外设控制器、中断控制器、接口电路和上电复位电路等。
1.存储型模块的单粒子翻转故障
由于期间制作工艺的不断提高，特征尺寸和工作电压的减小，以及实际系统设计过程中占用资源的增多，DSP的内部RAM对单粒子的敏感性不断增加。程序存储区单粒子翻转故障，会导致执行指令顺序错误和程序流程的停滞。数据存储区单粒子翻转故障会极大影响DSP的设计功能，尤其是关键变量位翻转会造成程序执行时间、逻辑功能和执行流程的紊乱。
程序缓存区和数据缓存区作为DSP运行时CPU访问最频繁的区域，类似于存储器发生单粒子翻转，但由于用户不可访问缓存区，难以检测缓存区发生单粒子翻转，发生翻转错误对系统结果影响更为严重。通用寄存器作为数据、地址、指令等传输和缓存的存储器，发生单粒子翻转主要表现在程序地址错误或运算结果错误。控制寄存器作为控制和确定CPU的操作模式及当前执行任务特性，发生单粒子翻转会影响DSP的功能及外围设备配置状态的变化。
2.功能型模块的单粒子瞬态脉冲故障和单粒子功能中断故障
功能型模块发生单粒子瞬态脉冲故障的主要形式有：算术逻辑单元数据运算结果错误，造成后续运算累积错误；指令管理器指令存取地址错误，程序运行时破坏其流水线时序造成程序流程紊乱；EDMA控制器总线访问错误造成意外中断，中断控制器产生意外中断造成程序指令流程紊乱。功能型模块的单粒子功能中断故障主要表现形式有：EMIF接口电路访问片外存储器时超时等待导致系统死机；上电复位电路对器件复位，造成功能暂时失效；无法通过JTAG接口访问DSP，并干扰正常程序流程；外设控制器的电路受到破坏，造成外设状态长时间异常。
（三）数字信号处理器单粒子软错误故障模式
TI公司的TMS320C6713数字信号处理器，是一款商用高性能器件，由程序/数据存储器（L2 Memory）、L1程序/数据Cache（L1P/L1D）、通用寄存器（General Register）、算术逻辑运算单元、外设及其控制器组成。
针对TMS320C6713器件主要功能单元开展单粒子效应试验评估，使用能量为65～120 MeV的高能质子开展试验，最大注量为2×1010 proton/cm2。根据单粒子效应试验数据、太阳同步轨道辐射环境和4.3 mm铝屏蔽厚度计算获得DSP器件的翻转率数据，结果如表5-6所示。(www.xing528.com)
表5-6 TMS320C6713主要功能单元单粒子效应试验结果
高能质子辐照试验结果表明：DSP器件在整个试验期间没有出现单粒子锁定或功能永久失效或供电电流增大现象。从单粒子效应试验结果来看，该型号DSP器件单粒子效应主要发生在内部存储型模块，尤其是DSP内部SRAM存储器，翻转率达到了3.4×10-2次/天，因此需要采取抗单粒子翻转加固措施。
TI公司的军品级信号处理器SMJ320C6701开创了空间高性能浮点运算DSP应用的新纪元。SMJ320C6701处理器基于高性能超长指令（VLIW）架构，具有浮点和定点数学逻辑单元。包含128 KB内部SRAM，其中64 KB可配置为L1程序缓存（L1P），其余可配置位数据存储；包含32位外部存储接口（EMIF）和四通道直接存储访问控制器（DMA）。
针对DSP的IR、ALU、FPU、DMA和SRAM开展质子单粒子效应试验，内部SRAM试验采用动态和静态测试方案，质子试验参数与TMS320C6713基本一致，结果如表5-7所示。在整个试验过程中没有出现SEFI和SEL现象。
所有功能模块IR、ALU、FPU和DMA在质子总注量为2.0×1010 proton/cm2条件下，没有出现SEU现象，翻转截面小于5.0×10-11 cm2/block。对于典型SS轨道（57°，555.6 km）高度，3.75 mm厚的铝屏蔽的航天器，SMJ320C6701处理器的功能模块翻转率小于5.3×10-5次/天。
内部SRAM在动态模式下的翻转率为2.1×10-8 cm2/block，静态模式下的翻转率为2.8×10-8 cm2/block，与微处理器在静态与动态模式下的翻转率趋势一致。其在上述SS轨道与屏蔽条件下的静态翻转率约为3.0×10-2次/天，与商用级TMS320C6713翻转率接近。因此，SMJ320C6701处理器单粒子故障主要是内部SRAM的单粒子翻转效应，必须采取EDAC措施进行加固设计。
表5-7 TMS320C6713主要功能单元单粒子效应试验结果
（四）数字信号处理器单粒子硬错误故障模式
前述的军品级SMJ320C6701重离子辐照试验与60Co-γ总剂量辐照试验，表明SEL阈值超过89 MeV·cm2/mg，抗总剂量能力超过100 krad（Si），空间应用发生单粒子闩锁的风险极低，这也是该型号器件优于商用器件的一大特点。
图5-13给出了TI公司的SMJ320F240数字信号处理器的重离子单粒子锁定试验的SEL截面与LET值关系曲线。SMJ320F240在2.8 MeV·cm2/mg即出现SEL现象。发生锁定后，IDD电流增大到700 mA，而正常工作电流为70 mA，增大了10倍。
图5-13 数字信号处理器SEL截面曲线
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