基于FPGA的嵌入式加固系统设计.pdf

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1、2014年9月15日现代电子技术Sep．2014第37卷第18期ModernElectronicsTechniqueVol_37No．18基于FPGA的嵌入式加固系统设计王璐，杨瑞强(兰州空间技术物理研究所，甘肃兰州730000)摘要：针对空间辐照环境，设计了一款基于FPGA平台抗辐照加固嵌入式系统。通过对存储单元进行三模冗余设计和(12，8)汉明码EDAC编码设计进行加固。对MC8051IP核、IcIP核、判决器，EDAC编码解码器等模块进行部分动态可重构设计。使用ICAP接1：7进行回读对比和动态可重构操作。系统配置后，定时对其进行回读对比。当检测到FPGA发生单粒子翻转时，采

2、用部分重配置消除单粒子影响，使系统恢复正常。关键字：抗辐照；三模冗余；EDCA；动态重构；ICAP中图分类号：TN91．34文献标识码：A文章编号：1004．373X(2014)18．0l】7．O4Designofanti—radiationembeddedhardenedsystembasedonFPGAWANGLu，YANGRui—qiang(LanzhouInstitutionofPhysics。Lanzhou730000．China)Abstract：Forthespaceradiationenvironment，ananti．radiationembeddedharden

3、edsystembasedonFPGAisdesignedinthispaper．Theanti—radiationsystemishardenedbytriplemodularredundancy(TMR)designofmemoryunitsandHammingCode(12，8)EDACcodingdesign．ThepartialdynamicreconfigurationdesignofMC8051IPcore，I2CIPcore，decisiondeviceandEDACcodecmoduleswasconducted．ICAPinterfacewasusedforre

4、adbackcontrastanddynamicreconfigurationoperation．WhenSEUoccurrenceofFPGAisdetected，partialreconfigurationisusedtoeliminatethesingle—particleimpact，SOastomakethesystemreturntonorma1．Keywards：radiationresistence；triplemodularredundancy；EDAC；dynamicreconfiguration；ICAP储器单元及LUT存储单元比较敏感，容易受单粒子效应0引言

5、影响。当配置存储单元发生失效将导致FPGA功能持航天器在外太空飞行，一直处于带电粒子构成的空久失效(直到重新配置成功)。LUT存储单元发生单粒间辐射环境中。空间辐射环境中的高能质子、中子、粒子翻转会使得FPGA逻辑功能出现变化，使得配置逻辑子、重离子等都能导致航天器电子系统中的半导体器件与用户描述逻辑不一致。发生失效，错误等故障，严重影响航天器的可靠性和寿1系统设计命。据美国国家地球物理数据中心统计，自1971m1986年间，美国发射的39颗同步卫星，发生的故障共本文针对单粒子效应对FPGA的影响，设计一款抗1589次，其中由于各种辐射效应引起的故障达1129次，辐照加固的嵌入式系

6、统，系统框图如图1所示。占故障总数的71％，单粒子效应又占了辐照故障的55％。中国空间科学技术研究院的统计了我国6颗同ROMI1wishb。e步卫星中的故障原因，空间辐射环境引起的故障在总故RAM0l一—f障中的比例u也达到了40％。这些数据表明辐射效应是航天器发生故障的重要原因，是航天应用集成电路中需RAMIl卜—判决器●——MCo8lO?e51IRAM2I卜——要解决的主要问题。l1Ccore星载平台为了提高处理速度和综合性能，越来越多RAMXIIDAC卜-斗采用高密度SRAM型FPGA。SRAM型FPGA的配置存口_旦口C直收稿日期：2014—03—19图1系统框图第18期王

7、璐，等：基于FPGA的嵌入式加固系统设计l19模块。初始化写l读竺发信送号地，址锁，存发地送址读巨读数据，锁存l图5重配置框图数据，译码l·。_-_·_。·-_-_-_-__J4．2初始预算对_比_三茹誊进行r—有错误纠错I土，对设计进行全局区域布局，划分动态可重构区域及·一l厂——一l无错误l回写纠正静态区域。完成顶层模块和各个子模块的时序约束，完ll输出数据k——————_J成各个模块区域约束及输入／输出约束。4．3模块激活图4状态机设计图对每一个子模块进行激活实