抗SEU存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　O 引言

　　隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星的應(yīng)用越來越廣泛。然而，太空環(huán)境復(fù)雜多變，其中存在著各種宇宙射線與高能帶電粒子，它們對(duì)運(yùn)行于其中的電子器件會(huì)產(chǎn)生各種輻射效應(yīng)。輻射效應(yīng)對(duì)電子器件的影響不可忽視，因?yàn)檩椛鋾?huì)使器件的性能參數(shù)發(fā)生退化，以至失效，從而影響衛(wèi)星的可靠運(yùn)行，縮短衛(wèi)星的使用壽命。輻射效應(yīng)對(duì)電子器件的影響很多，其中最主要的有總劑量效應(yīng)(TID)和單粒子效應(yīng)(S-EE)。SEE按產(chǎn)生的影響主要包括單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)、單粒子閂鎖(SEL)和單粒子燒毀(SEB)等三種類型，其中以SEU最為常見。在各種輻射效應(yīng)當(dāng)中，存儲(chǔ)器對(duì)SEU最為敏感，所以，對(duì)存儲(chǔ)器的抗輻射設(shè)計(jì)首先要考慮的就是抗SEU設(shè)計(jì)。

　　事實(shí)上，不同的空間環(huán)境和應(yīng)用需求，對(duì)存儲(chǔ)器的數(shù)量與質(zhì)量也有不同的要求。例如：在上傳指令與下載星載儀器儀表的狀態(tài)時(shí)，要求數(shù)據(jù)有很高的可靠性，此時(shí)對(duì)內(nèi)存容量則沒有特別的要求;而在處理某些用途的圖像數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)可靠性的要求則相應(yīng)較低，此時(shí)則需要較大的內(nèi)存容量。所以在采用具體的抗SEU方法時(shí)，也要因其不同情況而做出適合的選擇。

　　本文將采用擴(kuò)展?jié)h明碼編碼(Extended Hamming Code)與三模冗余(Triple Modular Redundancy，TMR)相結(jié)合的方法，并利用二者檢錯(cuò)糾錯(cuò)的不同特點(diǎn)，來對(duì)SRAM進(jìn)行檢錯(cuò)糾錯(cuò)模式可調(diào)的抗SEU設(shè)計(jì)。這樣既可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的抗SEU設(shè)計(jì)。又可滿足對(duì)存儲(chǔ)器使用靈活性的要求。

　　1 擴(kuò)展?jié)h明碼與TMR檢錯(cuò)糾錯(cuò)原理

　　1.1 擴(kuò)展?jié)h明碼檢錯(cuò)糾錯(cuò)原理

　　擴(kuò)展?jié)h明碼是一種常用的能檢測(cè)兩位錯(cuò)同時(shí)能糾正一位錯(cuò)的編碼方法。它是在漢明碼的基礎(chǔ)上.在碼字上再加入一個(gè)對(duì)所有碼元都進(jìn)行校驗(yàn)的校驗(yàn)位而得到的，故稱為擴(kuò)展?jié)h明碼。

　　擴(kuò)展?jié)h明碼是線性分組碼的一種，其信息位和監(jiān)督位的關(guān)聯(lián)可由一組線性代數(shù)方程組表示。(n，k)線性分組碼的編碼就是去建立由r(其中r=n-k)個(gè)生成冗余位的方程式構(gòu)成的方程組，再由此方程組轉(zhuǎn)化為kxn的生成矩陣G。編碼時(shí)，可將信息位向量(k維)乘以生成矩陣G，從而得到碼字向量(n維)，如下式所示：

　　將式(1)表示的方程組作移位變換，可以得到式(2)，通常稱H為監(jiān)督矩陣。

?

　　解碼時(shí)，通過監(jiān)督矩陣H與讀出的碼字向量C的乘積結(jié)果可判斷該碼字是否出錯(cuò)。若讀出的碼字向量C乘上監(jiān)督矩陣H后得到一個(gè)零向量，則表示沒有出錯(cuò);否則表示碼字在存儲(chǔ)之后受到了單粒子效應(yīng)的影響，有錯(cuò)誤發(fā)生。通常將監(jiān)督矩陣與讀出的碼字向量C的乘積記作S，稱為校驗(yàn)子。當(dāng)碼字中某一位發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，就會(huì)得到唯一的S向量，該向量只與碼字出錯(cuò)的位置有關(guān)，而與碼字C無關(guān)。通過S向量可以定位出錯(cuò)的位置，并對(duì)出錯(cuò)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正。

　　作為線性分組碼的一種，擴(kuò)展?jié)h明碼的分組編碼總長(zhǎng)為2r位，信息位長(zhǎng)度為2r-1-r位，即(2r，2r-l-r)擴(kuò)展?jié)h明碼。本設(shè)計(jì)采用了16位RAM存儲(chǔ)器，所以對(duì)應(yīng)使用(22，16)擴(kuò)展?jié)h明碼。

　　1.2 TMR檢錯(cuò)糾錯(cuò)原理

　　TMR是一種常見的硬件冗余技術(shù)。它的原理是在相同的一組硬件單元上同時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤的概率要比在單一硬件單元上發(fā)生錯(cuò)誤的概率小。它的基本方法是將所需容錯(cuò)的硬件單元增加到三倍或更多，并將各個(gè)單元的輸出連接到一個(gè)表決器上，由表決器選擇所有硬件單元中的絕大多數(shù)輸出值作為整體的輸出值。圖1所示為三模冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

?

　　圖1中，A1、A2、A3三個(gè)模塊同時(shí)執(zhí)行同樣的操作，并將其輸出送給表決器，然后由表決器對(duì)接收到的三路數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果三個(gè)模塊同時(shí)給出三個(gè)相同的輸出，則表決器輸出任何一路作為正確輸出。如果其中任一模塊出錯(cuò)，其輸出不同于其它兩個(gè)模塊，則表決器依然輸出正確結(jié)果。如果有兩個(gè)模塊同時(shí)出錯(cuò)，且變成相同的狀態(tài)，表決器則會(huì)誤認(rèn)為這是正確的結(jié)果并輸出，不過這種情況的出現(xiàn)雖然可能，但概率非常小。當(dāng)然，如果這兩個(gè)模塊同時(shí)出錯(cuò)，但出錯(cuò)狀態(tài)不同，則表決器此時(shí)將無法做出選擇，但可以產(chǎn)生中斷。

　　2 內(nèi)存配置方案

　　通過上面對(duì)擴(kuò)展?jié)h明碼與TMR兩種檢錯(cuò)糾錯(cuò)方式的介紹，可以發(fā)現(xiàn)其二者各有優(yōu)勢(shì)，分別適用于不同的環(huán)境條件和應(yīng)用需求。但是，這兩種方案對(duì)于內(nèi)存配置的要求是不同的，所以在對(duì)整個(gè)電路的設(shè)計(jì)之前，首先要對(duì)內(nèi)存作如下配置。

　　本設(shè)計(jì)中使用了3片16bit的SRAM。并分別采用(22，16)漢明碼和TMR兩種檢錯(cuò)糾錯(cuò)方法。對(duì)于(22，16)，一般采用(16+8)位的存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)，而TMR，則采用16位的存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)。若要支持這兩種方法，則必須首先為存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)一種特別的內(nèi)存配置方式。本設(shè)計(jì)采用如圖2所示的內(nèi)存配置方案。

?

　　對(duì)于圖2所示的內(nèi)存配置方案，當(dāng)系統(tǒng)工作在TMR模式時(shí)，所有的片選信號(hào)都被相同的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，這樣就構(gòu)成了TMR需要的3個(gè)16位內(nèi)存空間;而當(dāng)系統(tǒng)工作在漢明碼模式時(shí)，它們則ah、al、bh為一組，bl、ch、cl為另一組，并分別被相同的片選信號(hào)驅(qū)動(dòng)，從而構(gòu)成了兩個(gè)獨(dú)立的(16+8)位的內(nèi)存空間。本設(shè)計(jì)采用了3片128 K×16bit的SRAM，如果設(shè)置每片SRAM的低4K×16bit空間工作在TMR模式，則從圖中可以看出，該SRAM芯片組中還有兩個(gè)124 K×(16+8) bit的空間可以工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式。

　　3 電路設(shè)計(jì)

　　基于上述內(nèi)存配置方案，本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的抗SEU存儲(chǔ)器電路。該電路包含了4個(gè)功能模塊。

?

　　3.1 TMR模塊

　　在TMR工作模式下可完成數(shù)據(jù)的寫入操作和讀取操作中的冗余判決。如果在讀取過程中發(fā)現(xiàn)有一片RAM中的數(shù)據(jù)與其它三片不同，則對(duì)該片RAM進(jìn)行正確數(shù)據(jù)的回寫;如果發(fā)現(xiàn)三片RAM中的數(shù)據(jù)都不相同，則產(chǎn)生中斷信號(hào)。

　　3.2 擴(kuò)展?jié)h明碼模塊

　　在擴(kuò)展?jié)h明碼工作模式下，當(dāng)寫入數(shù)據(jù)時(shí)，則對(duì)其進(jìn)行編碼;當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，則對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的解碼，并判斷數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)。如果一位錯(cuò)則自動(dòng)回寫正確值，如果兩位以上的錯(cuò)誤，則產(chǎn)生中斷信號(hào)。

　　3.3 模式選擇模塊

　　在該模塊內(nèi)部設(shè)置有一個(gè)32位的模式配置寄存器。通過給模式配置寄存器的低18位進(jìn)行預(yù)先置數(shù)，可以設(shè)置檢錯(cuò)糾錯(cuò)電路的工作模式，同時(shí)也就設(shè)置了RAM的內(nèi)存配置情況。根據(jù)CPU的不同應(yīng)用要求，模式控制模塊可以讓檢錯(cuò)糾錯(cuò)電路在擴(kuò)展?jié)h明碼方式與TMR方式二者之間進(jìn)行靈活的切換。

　　3.4 控制邏輯模塊

　　該電路模塊可根據(jù)電路所處的檢錯(cuò)糾錯(cuò)模式來控制相應(yīng)的讀寫信號(hào)和內(nèi)存片選信號(hào)，以便正確訪問RAM內(nèi)容。

　　4 FPGA的編程與實(shí)現(xiàn)

　　接下來對(duì)每個(gè)模塊在設(shè)計(jì)過程的具體考慮進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

　　4.1 TMR模塊

　　對(duì)于TMR模塊的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。需要特別指出的是，考慮到對(duì)電路有效性的驗(yàn)證，在寫通道上另外添加了錯(cuò)誤注入模塊。圖4所示是其設(shè)計(jì)框圖，圖中，ctrl_err為錯(cuò)誤注入控制信號(hào)，當(dāng)ctrl_err為0時(shí)，表示不注入錯(cuò)誤;當(dāng)ctrl_err為1時(shí)，表示注入錯(cuò)誤。這樣可以通過對(duì)ct-rl_err信號(hào)的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)SEU效應(yīng)的模擬。add_err[7..0]為注錯(cuò)數(shù)據(jù)信號(hào)。將add_err的低四位用0000～1111表示，可用于表示給數(shù)據(jù)添加錯(cuò)誤的位置，它的高四位甩XX01～XX11表示，則可分別表示要給RAM組中的某個(gè)RAM添加錯(cuò)誤。

?

　　4.2 擴(kuò)展?jié)h明碼模塊

　　擴(kuò)展?jié)h明碼模塊的設(shè)計(jì)主要包括編碼模塊、伴隨式生成模塊以及差錯(cuò)校驗(yàn)?zāi)K等。編碼模塊可使用式(1)進(jìn)行編碼，可生成r個(gè)校驗(yàn)位。并將它們依次添加到碼元序列的第2i-1(其中i=0，…，r-1)個(gè)位置上。伴隨式生成模塊使用式(2)進(jìn)行解碼，可對(duì)應(yīng)生成校驗(yàn)子S。差錯(cuò)控制模塊可根據(jù)生成的校驗(yàn)子S來判斷數(shù)據(jù)是否出錯(cuò)，以及出錯(cuò)的位數(shù)，并用sef與def表示。如果數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤，則直接送出;如果數(shù)據(jù)中有一位出現(xiàn)錯(cuò)誤，則對(duì)其進(jìn)行回寫，同時(shí)將修正的數(shù)據(jù)送出;如果兩位出現(xiàn)錯(cuò)誤，則輸出中斷信號(hào)int。

　　需要注意的是，擴(kuò)展?jié)h明碼模式下的地址信號(hào)需要進(jìn)行額外的處理。由于本設(shè)計(jì)采用了128K×16bit的SRAM芯片，它有17位地址信號(hào)。但是，正如上面提到過的，SRAM芯片組中將有4KB的存儲(chǔ)空間工作于TMR模式，還有248KB的存儲(chǔ)空間將工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式，而248KB的空間需要18位地址信號(hào)，這就要求有一個(gè)對(duì)地址信號(hào)進(jìn)行變換的模塊。當(dāng)?shù)刂沸∮?KB 時(shí)，電路工作于TMR模式下而無需對(duì)地址進(jìn)行變換;當(dāng)?shù)刂反笥诘扔? KB同時(shí)小于128 KB時(shí)，電路工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式，地址信號(hào)會(huì)選中第一個(gè)124 Kx(16+8)bit的空間，此時(shí)也無需地址變換;而當(dāng)?shù)刂反笥诘扔?28 KB，電路也工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式下，此時(shí)地址信號(hào)應(yīng)選中第二個(gè)124 Kx(16+81bit的空間，此時(shí)則應(yīng)將地址值加上4KB，然后取新的地址的低17位加到第二個(gè)124 Kx (16+8) bit的存儲(chǔ)空間上即可。

　　在上述TMR和擴(kuò)展?jié)h明碼模塊的設(shè)計(jì)中，對(duì)出錯(cuò)數(shù)據(jù)的回寫是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，主要應(yīng)考慮是否回寫和何時(shí)回寫兩個(gè)問題。這兩個(gè)問題可由時(shí)序控制模塊來解決。它主要根據(jù)CPU的控制信號(hào)，適時(shí)的發(fā)出錯(cuò)誤標(biāo)示輸出使能信號(hào)flag_oe，從而改變CPU對(duì)RAM的讀寫狀態(tài)，完成

　　修正數(shù)據(jù)的正確回寫。

　　另外，電路中的錯(cuò)誤標(biāo)示信號(hào)對(duì)整體設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。為了保證錯(cuò)誤標(biāo)示信號(hào)的穩(wěn)定，可在雙向傳輸門B的讀入端加一個(gè)鎖存器，鎖存器的鎖存使能端也可由時(shí)序控制模塊的flag_latch來控制。

　　4.3 模式選擇模塊

　　模式選擇模塊用于接收來自CPU的配置信號(hào)config和片選信號(hào)cs_fpga，以便將32位的配置數(shù)據(jù)寫入配置寄存器。該寄存器的低18位數(shù)據(jù)為模式配置數(shù)據(jù)，地址信號(hào)通過與該數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可使小于該地址的存儲(chǔ)器空間工作于TMR模式，大于該地址的存儲(chǔ)空間工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式。

　　本電路采用軟件故障注入法來進(jìn)行電路的有效性驗(yàn)證，所以，在電路設(shè)計(jì)中，可將模式配置寄存器的其余14位用于注入外部干擾數(shù)據(jù)，并將其連接到ctrl_err與add_err信號(hào)，以用來進(jìn)行軟件故障的注入，模擬SEU對(duì)電路的影響。

　　4.4 控制邏輯模塊

　　該模塊可接收模式選擇模塊的模式信號(hào)mode，以對(duì)TMR模塊和擴(kuò)展?jié)h明碼模塊輸出的讀寫信號(hào)和片選信號(hào)進(jìn)行選擇，然后輸出到RAM芯片的引腳上去，從而實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)RAM的正確訪問。尤其是當(dāng)電路工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式時(shí)，還需根據(jù)地址信號(hào)判斷當(dāng)前對(duì)哪個(gè)124 Kx (16+8)bit的存儲(chǔ)空間片選有效。其具體電路如圖5所示。

?

　　5 結(jié)束語

　　本設(shè)計(jì)中的抗SEU存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)可通過ACTEL的ProAsic系列A3P400 FPGA實(shí)現(xiàn)，并可使用與其配套的Liber08.5 EDA工具進(jìn)行代碼的編輯和原理圖的繪制，并進(jìn)行功能仿真與電路的綜合。通過仿真可以看到，本設(shè)計(jì)可以達(dá)到預(yù)期的目的，它既可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的抗SEU設(shè)計(jì)，又可以滿足對(duì)存儲(chǔ)器使用靈活性的要求，而且具有功能完善、適應(yīng)性強(qiáng)、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，非常適用于星載RAM的抗輻射電路設(shè)計(jì)。