TMR+Scrubbing SRAM加固型FPGA輻照實(shí)驗(yàn)研究

孫 野，陳暉照

(山東航天電子技術(shù)研究所 通信事業(yè)部，山東 煙臺(tái)264003)

由于靜態(tài)存儲(chǔ)器(Static Random Access Memory，SRAM)型現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)與反熔絲型FPGA相比具有可反復(fù)重新配置的優(yōu)點(diǎn)，所以SRAM型FPGA在航天領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。但SRAM［1］為輻射敏感器件，這嚴(yán)重威脅了衛(wèi)星安全可靠的運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外對(duì)航天故障的統(tǒng)計(jì)顯示:約有40%的故障源自太空輻射［2］。近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一直重視SRAM FPGA輻射效應(yīng)和加固方法研究。本文研究了三模冗余(TMR)和 動(dòng)態(tài)刷新(Scrubbing)兩種加固措施，并對(duì)采取措施的FPGA和未采取加固措施的FPGA進(jìn)行單粒子輻照實(shí)驗(yàn)研究，成功驗(yàn)證了TMR+Scrubbing加固措施的有效性，試驗(yàn)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(shè)計(jì)

1.1 TMR加固設(shè)計(jì)

FPGA內(nèi)部的RAM資源相對(duì)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(wèn)，當(dāng)正常邏輯只操作一個(gè)端口時(shí)，可以采用圖1所示方式對(duì)RAM模塊進(jìn)行三模冗余處理，當(dāng)正常邏輯使用RAM模塊的A端口時(shí)，自刷新模塊使用B端口同時(shí)讀取3份RAM中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行讀取→比對(duì)→回寫(xiě)的操作。如當(dāng)RAM模塊1中數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤時(shí)，自刷新模塊經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)該模塊存在錯(cuò)誤后，保存錯(cuò)誤數(shù)據(jù)存在的地址，同時(shí)檢測(cè)正常邏輯在端口A的操作信號(hào)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)正常邏輯沒(méi)有對(duì)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤存在的地址進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，立即通過(guò)端口B對(duì)RAM模塊1的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤地址寫(xiě)入正確的數(shù)據(jù)。為保證自刷新模塊自身的可靠性，對(duì)自刷新模塊進(jìn)行模塊級(jí)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(shí)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(yùn)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(gè)端口，因此可以通過(guò)另一端口實(shí)現(xiàn)三模冗余和自刷新，具備可恢復(fù)能力。3個(gè)RAM的三路信號(hào)(douta_tr0douta_tr1douta_tr2)輸出后經(jīng)過(guò)表決器比對(duì)，輸出一路信號(hào)(doutb)，在正余弦表單元中，TMR單元信號(hào)處理如圖2所示［3］。

圖2 正余弦表TMR單元信號(hào)處理

三模冗余對(duì)資源的占用量是原始設(shè)計(jì)的3.2～3.5倍，因此不能對(duì)整個(gè)FPGA邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行三模冗余，只能選擇對(duì)關(guān)鍵模塊和所有模塊中長(zhǎng)時(shí)間存在的關(guān)鍵變量進(jìn)行三模冗余。長(zhǎng)時(shí)間存在的關(guān)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(jī)控制變量、重要的全局標(biāo)志等等，這些變量關(guān)系到FPGA運(yùn)行程序的總體進(jìn)程，而且存在的時(shí)間比較長(zhǎng)，發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的概率比一些臨時(shí)局部變量大的多，影響也更加嚴(yán)重［4］。

1.2 Scrubbing加固設(shè)計(jì)

在Scrubbing過(guò)程中對(duì)配置流數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀、比對(duì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)配置數(shù)據(jù)有錯(cuò)誤時(shí)，對(duì)存在錯(cuò)誤的部分配置區(qū)進(jìn)行局部重配置，消除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。進(jìn)行Scrubbing時(shí)，可以不中斷FPGA的正常工作，該措施在FPGA工作期間同步運(yùn)行，以最快的速度檢測(cè)到配置區(qū)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤并糾錯(cuò)，可以有效地防止配置區(qū)數(shù)據(jù)累積，將錯(cuò)誤影響的時(shí)間間隔縮小到一個(gè)回讀、比對(duì)周期所需的處理時(shí)間。在這個(gè)過(guò)程中分3步:配置流回讀、比對(duì)、局部重配置。

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

表1 XQRV3000配置存儲(chǔ)器動(dòng)態(tài)回讀的時(shí)間特性

表1所列為XQRV3000動(dòng)態(tài)回讀的時(shí)間特性。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，JTAG接口最快的訪問(wèn)速率約可達(dá)55 Mbit·s－1。這里以39.2 MHz作為回讀時(shí)鐘，根據(jù)表1中的參數(shù)可以計(jì)算得到:每幀數(shù)據(jù)的回讀時(shí)間約為150μs，整個(gè)器件的回讀時(shí)間約為270 ms。SRAM型FPGA配置區(qū)的部分?jǐn)?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(shí)際上配置區(qū)的部分?jǐn)?shù)據(jù)位充當(dāng)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(cè)FPGA內(nèi)嵌邏輯的工作狀態(tài)。

比對(duì)就是將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和回讀數(shù)據(jù)逐位進(jìn)行比較，也就是直接比較校驗(yàn)。這個(gè)過(guò)程需要兩個(gè)專(zhuān)用的存儲(chǔ)區(qū)域分別存儲(chǔ)屏蔽數(shù)據(jù)文件(design.msk)和回讀后應(yīng)該得到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)(design.rbb)。這兩個(gè)文件可以在生成配置數(shù)據(jù)(design.bit)時(shí)一并生成。由于某些臨時(shí)性數(shù)據(jù)，比如Distributed RAM，在FPGA工作的過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，因此比對(duì)時(shí)需要將此部分內(nèi)容屏蔽掉［5］。即在直接比較校驗(yàn)過(guò)程中，需要比較的是校驗(yàn)碼是否相等，如果不相等則說(shuō)明回讀的數(shù)據(jù)出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤。回讀數(shù)據(jù)的直接比較校驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 配置存儲(chǔ)器回讀數(shù)據(jù)的直接比較校驗(yàn)

局部動(dòng)態(tài)重構(gòu)是指在不中斷FPGA其他功能模塊正常時(shí)序條件下，實(shí)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(yīng)故障時(shí)，HRU通過(guò)對(duì)FPGA狀態(tài)的監(jiān)控、配置存儲(chǔ)器的回讀校驗(yàn)等措施，可以將故障定位于功能模塊對(duì)應(yīng)的布線配置區(qū)域。

在樣品FPGA和配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)PROM器件間加入一塊Actel反熔絲型FPGA，由該Actel FPGA充當(dāng)樣品FPGA的配置控制器，負(fù)責(zé)對(duì)樣品FPGA進(jìn)行動(dòng)態(tài)刷新。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)采用輻照中測(cè)試，輻照失效判據(jù)為功能失效。首先為了驗(yàn)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(wú)加固措施的樣品和采用TMR+Scrubbing加固的樣品，在試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)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(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得中斷粒子總數(shù)與第I次翻轉(zhuǎn)關(guān)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(guān)系曲線

注量率對(duì)比實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，樣品功能失效時(shí)立即停止輻照，待測(cè)試系統(tǒng)重新開(kāi)機(jī)，實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)入正常工作狀態(tài)之后繼續(xù)輻照，失效粒子數(shù)累積計(jì)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)B粒子相同注量率(60 Ions/cm2·s)下不同檢測(cè)模式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了TMR+scrubing加固方式可以提高SRAM型FPGA抗輻射性能。為T(mén)MR+scrubing加固研究提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。需要注意在實(shí)際工程實(shí)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(huì)成為T(mén)MR+scrubing FPGA抗輻射性能的短板，使用時(shí)需謹(jǐn)慎。

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［5］ 段青亞，黃士坦，辛明瑞.空間單粒子故障容錯(cuò)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證技術(shù)研究［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2007，24(11):38－41.

［6］ 刑克飛，張傳勝，王京，等.數(shù)字信號(hào)處理器抗輻射設(shè)計(jì)技術(shù)研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，14(4):572，578.