孫 野，陳暉照

(山東航天電子技術研究所 通信事業(yè)部，山東 煙臺264003)

由于靜態(tài)存儲器(Static Random Access Memory，SRAM)型現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)與反熔絲型FPGA相比具有可反復重新配置的優(yōu)點，所以SRAM型FPGA在航天領域受到廣泛關注。但SRAM［1］為輻射敏感器件，這嚴重威脅了衛(wèi)星安全可靠的運行。國內(nèi)外對航天故障的統(tǒng)計顯示:約有40%的故障源自太空輻射［2］。近10年來，國內(nèi)外一直重視SRAM FPGA輻射效應和加固方法研究。本文研究了三模冗余(TMR)和 動態(tài)刷新(Scrubbing)兩種加固措施，并對采取措施的FPGA和未采取加固措施的FPGA進行單粒子輻照實驗研究，成功驗證了TMR+Scrubbing加固措施的有效性，試驗結(jié)果顯示，TMR+Scrubbing加固措施可以提高SRAM型FPGA抗單粒子性能2倍以上。

1 TMR+Scrubbing加固設計

1.1 TMR加固設計

FPGA內(nèi)部的RAM資源相對寄存器、查找表等資源較為豐富，而且都可以采用雙端口方式訪問，當正常邏輯只操作一個端口時，可以采用圖1所示方式對RAM模塊進行三模冗余處理，當正常邏輯使用RAM模塊的A端口時，自刷新模塊使用B端口同時讀取3份RAM中的數(shù)據(jù)，進行讀取→比對→回寫的操作。如當RAM模塊1中數(shù)據(jù)有錯誤時，自刷新模塊經(jīng)比對發(fā)現(xiàn)該模塊存在錯誤后，保存錯誤數(shù)據(jù)存在的地址，同時檢測正常邏輯在端口A的操作信號，當發(fā)現(xiàn)正常邏輯沒有對數(shù)據(jù)錯誤存在的地址進行寫操作時，立即通過端口B對RAM模塊1的數(shù)據(jù)錯誤地址寫入正確的數(shù)據(jù)。為保證自刷新模塊自身的可靠性，對自刷新模塊進行模塊級三模冗余。

圖1 RAM三模冗余自刷新處理框圖

在一般通信系統(tǒng)中，借助查找表法實現(xiàn)載波NCO或者濾波器，因此正弦表、反正切函數(shù)表、濾波器參數(shù)等重要的運行參數(shù)一般存在于FPGA的內(nèi)部ROM中，由于ROM只是使用雙端口RAM資源的一個端口，因此可以通過另一端口實現(xiàn)三模冗余和自刷新，具備可恢復能力。3個RAM的三路信號(douta_tr0douta_tr1douta_tr2)輸出后經(jīng)過表決器比對，輸出一路信號(doutb)，在正余弦表單元中，TMR單元信號處理如圖2所示［3］。

圖2 正余弦表TMR單元信號處理

三模冗余對資源的占用量是原始設計的3.2～3.5倍，因此不能對整個FPGA邏輯設計進行三模冗余，只能選擇對關鍵模塊和所有模塊中長時間存在的關鍵變量進行三模冗余。長時間存在的關鍵變量主要是指:主程序的大循環(huán)控制變量、主程序的有限狀態(tài)機控制變量、重要的全局標志等等，這些變量關系到FPGA運行程序的總體進程，而且存在的時間比較長，發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的概率比一些臨時局部變量大的多，影響也更加嚴重［4］。

1.2 Scrubbing加固設計

在Scrubbing過程中對配置流數(shù)據(jù)進行回讀、比對，當發(fā)現(xiàn)配置數(shù)據(jù)有錯誤時，對存在錯誤的部分配置區(qū)進行局部重配置，消除錯誤數(shù)據(jù)。進行Scrubbing時，可以不中斷FPGA的正常工作，該措施在FPGA工作期間同步運行，以最快的速度檢測到配置區(qū)數(shù)據(jù)錯誤并糾錯，可以有效地防止配置區(qū)數(shù)據(jù)累積，將錯誤影響的時間間隔縮小到一個回讀、比對周期所需的處理時間。在這個過程中分3步:配置流回讀、比對、局部重配置。

回讀是通過JTAG接口從配置區(qū)中回讀出FPGA內(nèi)嵌邏輯的運行狀態(tài)量，據(jù)此判斷邏輯是否運行正常?；刈x過程可以讀出CLB、IOB的寄存器和FPGA的內(nèi)部存儲器的當前狀態(tài)，以及布線資源的配置情況等，然后通過回讀數(shù)據(jù)的校驗來檢驗當前配置數(shù)據(jù)的正確性。

表1 XQRV3000配置存儲器動態(tài)回讀的時間特性

表1所列為XQRV3000動態(tài)回讀的時間特性。經(jīng)過實驗測試，JTAG接口最快的訪問速率約可達55 Mbit·s－1。這里以39.2 MHz作為回讀時鐘，根據(jù)表1中的參數(shù)可以計算得到:每幀數(shù)據(jù)的回讀時間約為150μs，整個器件的回讀時間約為270 ms。SRAM型FPGA配置區(qū)的部分數(shù)據(jù)反映了硬件結(jié)構(gòu)內(nèi)部的寄存器內(nèi)容，而FPGA內(nèi)嵌邏輯中又使用了硬件結(jié)構(gòu)中的寄存器，實際上配置區(qū)的部分數(shù)據(jù)位充當了內(nèi)嵌邏輯中變量的影子寄存器，可以從這些影子寄存器中探測FPGA內(nèi)嵌邏輯的工作狀態(tài)。

比對就是將標準數(shù)據(jù)和回讀數(shù)據(jù)逐位進行比較，也就是直接比較校驗。這個過程需要兩個專用的存儲區(qū)域分別存儲屏蔽數(shù)據(jù)文件(design.msk)和回讀后應該得到的標準數(shù)據(jù)(design.rbb)。這兩個文件可以在生成配置數(shù)據(jù)(design.bit)時一并生成。由于某些臨時性數(shù)據(jù)，比如Distributed RAM，在FPGA工作的過程中會發(fā)生變化，因此比對時需要將此部分內(nèi)容屏蔽掉［5］。即在直接比較校驗過程中，需要比較的是校驗碼是否相等，如果不相等則說明回讀的數(shù)據(jù)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)錯誤?；刈x數(shù)據(jù)的直接比較校驗流程如圖3所示。

圖3 配置存儲器回讀數(shù)據(jù)的直接比較校驗

局部動態(tài)重構(gòu)是指在不中斷FPGA其他功能模塊正常時序條件下，實現(xiàn)的故障區(qū)域的局部重配置。在FPGA發(fā)生單粒子輻射效應故障時，HRU通過對FPGA狀態(tài)的監(jiān)控、配置存儲器的回讀校驗等措施，可以將故障定位于功能模塊對應的布線配置區(qū)域。

在樣品FPGA和配置數(shù)據(jù)存儲PROM器件間加入一塊Actel反熔絲型FPGA，由該Actel FPGA充當樣品FPGA的配置控制器，負責對樣品FPGA進行動態(tài)刷新。

2 試驗驗證

試驗采用輻照中測試，輻照失效判據(jù)為功能失效。首先為了驗證TMR+Scrubbing加固方法的有效性，采用相同注量率的B粒子分別照射無加固措施的樣品和采用TMR+Scrubbing加固的樣品，在試驗過程中觀測樣品功能是否失效［6］。

表2 平均中斷粒子數(shù)與加固模式關系

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，獲得中斷粒子總數(shù)與第I次翻轉(zhuǎn)關系曲線如圖4所示。

圖4 失效粒子總數(shù)與第N次翻轉(zhuǎn)關系曲線

注量率對比實驗過程中，樣品功能失效時立即停止輻照，待測試系統(tǒng)重新開機，實驗樣本進入正常工作狀態(tài)之后繼續(xù)輻照，失效粒子數(shù)累積計量。

3 結(jié)束語

通過B粒子相同注量率(60 Ions/cm2·s)下不同檢測模式的對比實驗可以得出結(jié)論，TMR+scrubing加固方式可以將SRAM型FPGA抗輻射性能提高2倍以上。實驗成功驗證了TMR+scrubing加固方式可以提高SRAM型FPGA抗輻射性能。為TMR+scrubing加固研究提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。需要注意在實際工程實現(xiàn)中，并非所有功能都可以刷新，也有一些功能由于FPGA資源有限的原因，不能三模冗余，這些資源有可能會成為TMR+scrubing FPGA抗輻射性能的短板，使用時需謹慎。

［1］ 韓鄭生.抗輻射集成電路概論［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［2］PHILIPPE A，GREG A.Assessing and mitigating radiation effects in xilinx FPGA［M］.Pasedena，California:Propulsion Laboratory California Institute of Technology，2008.

［3］REED R.Implementation of a BPSK transceiver for use with the university of kansas agile radio:bachelor of science［D］.Kansas:University of Kansas，2004.

［4］ 辛明瑞，時晨，高德遠，等.面向空間應用的片上系統(tǒng)集成技術研究［J］.微電子學與計算機，2006，23(6):194－197.

［5］ 段青亞，黃士坦，辛明瑞.空間單粒子故障容錯設計的驗證技術研究［J］.微電子學與計算機，2007，24(11):38－41.

［6］ 刑克飛，張傳勝，王京，等.數(shù)字信號處理器抗輻射設計技術研究［J］.應用基礎與工程科學學報，2006，14(4):572，578.