航天用SRAM型FPGA抗单粒子翻转设计

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1、第28卷第6期航天器环境工程2011年12』JSPACE(、RAFTENVIRONMENTENGINEERING55l航天用SRAM型FPGA抗单粒子翻转设计马寅(中国空间技术研究院载人航天总体部，北京100094)摘要：采用SRAM工艺的FPGA因其性能优异，在空间领域的应用受到重视；但是在空间环境中，SRAM型FPGA易受单粒子翻转的影响而导致逻辑故障或功能中断。文章提出对该类芯片的配置逻辑部分采用回读比较后刷新、对其BRAM部分采用通用自纠错宏的抗单粒子翻转(SEU)设计方案，在牺牲一定的器件性能的情况下，能达到较好的抗辐射效果。关键词：单粒子翻转；抗辐射加固；回读；刷新；块RAM；容

2、错中图分类号：TN402：TN406文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)06-0551-06DoI：10．3969a．issn．1673—1379．2011．06．0090引言在日益复杂的航天器电子系统中，用户可配置的FPGA由于其功能配置的多样性与可重复性以及进行海量数据处理时的灵活性与高效性，逐渐承担起更多的任务。然而，采用SRAM工艺的FPGA受空间高能粒子影响较大，其内部配置存储器的逻辑状态常常由于粒子撞击而翻转，即发生单粒子翻转(SEU)。如果翻转发生在逻辑功能区，可能导致航天器的功能中断；如果翻转发生在RAM单元，可能导致数据错误或者丢失【l】。近年来，针对SE

3、U的容错研究有了很大发展。随着SRAM型FPGA不断的技术革新，容错技术也呈现多样化。总的来说，SRAM型FPGA的容错技术分为两大类：第一类是作用于前端的SEU屏蔽，包括各种抗辐射加固结构设计、新的高性能抗辐射CMOS工艺等[2】。这类技术可以带来抗辐射能力的显著提高，但一般都要在附带性能上作出牺牲，如可实现的高速时钟频率往往要下降一半以上，实现成本也由于对工艺的更改而大大增加。第二类是作用于后端的SEU恢复，如错误检测和纠正编码(EDAC)，以及Xilinx公司提出的刷新(scrubbing)、回读检测等13J。这类技术在实现成本和性能牺牲上要优于第一类，但由于翻转形式多样，同样不能保证

4、百分之百的容错。只有同时结合两类容错技术，既做到前期尽量避免翻转发生，也做到后期尽量恢复已经发生的翻转以避免其累积，才可以获得最佳的抗辐射性能。前期屏蔽的设计方法已经比较成熟，本文将着重讨论针对Xilinx公司高性能的Virtex系列FPGA的抗SEU设计对配置逻辑部分采用回读比较后刷新；对BlockRAM部分采用通用自纠错宏[4-5】的容错设计方案。1SRAM型FPGA原理简介1．1配置原理SRAM型FPGA用户编程功能的实现依赖于数百万配置锁存器中存储的数据。数据帧是配置数据在FPGA配置存储器中可以读写的最小单位。多组配置帧组成一个配置帧列，配置帧列根据功能的不同，细分为CLB帧列、l

5、OB帧列、IOI帧列、GCLK帧列、BRAM帧列和BRAM内连帧列。这些帧列可以被划分为3类：CLB帧块(包括GCLK、CLB、IOB、IOI帧列)，BRAM帧块，BRAM内连帧块【6】。一个完整的配置文件就是由所有配置位置的帧信息和一些必要的首位命令字所组成的。帧是可寻址的。帧地址分为块地址(BA)、主地址(MJA)和从地址(MNA)3部分，如图1收稿日期：201l-10．13；修回日期：201l-11．23作者简介：马寅(1986一)，男，硕士学位，现主要从事载人航天器信息系统的研究与设计工作。联系电话：(OlO)68117908；E-mail：myxyl230@yahoo．cn。航天器

6、环境工程第28卷所示。块地址对应3个帧块，主地址指明了块地址下某帧列的位置，从地址指明了帧列中某特定帧的位置。由这3个地址就可以准确地定位到一个配置数据帧了。为了引导和辅助配置，FPGA内部设计了一些专用于配置的32bit的配置寄存器，例如帧地址寄存器(FAR)、帧数据输入寄存器(FDRI)、控制寄存器(COL)等都对配置、刷新、回读等操作起关键作用。阿羽一一同同*m一一二一”“{ij图1Virtex．11FPGA内部配置架构Fig．1Virtex-11FPGAconfigurationarchitecture1．2刷新配置数据中一个位(bit)的翻转不一定直接导致FPGA发生功能故障，这是

7、由于翻转的位置可能恰好不在FPGA编程布线区。然而，如果不及时采取恢复措施，翻转位数量会不断累积，达到一定程度终究会导致功能错误。刷新的直接功能就是阻止翻转位的累积。刷新就是在FPGA已经上电配置成功之后，不事先擦除已有的逻辑，就直接重新写入配置数据且不中断用户的功能。理论上来说刷新也属于部分重配置，目前只有Xilinx公司的Virtex系列FPGA支持刷新”’”。为了实现刷新，有几点需要注意：1)在设计中不