CN103971732A - 监控fpga的单粒子翻转效应并纠正重加载的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的方法，反熔丝FPGA利用SRAM型FPGA的配置字回读功能，回读其配置字，并与预存在FLASH存储芯片内的正确配置字进行比较，检查SRAM型FPGA是否发生单粒子翻转，若发生单粒子翻转则利用预存在FLASH存储芯片内的加载程序进行重新加载；本发明还公开了一种监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的系统，包括依次连接的FLASH存储芯片、反熔丝FPGA和SRAM型FPGA。本发明利用预存在FLASH存储芯片内的加载文件，模拟PROM的时序对SRAM型FPGA进行加载，与采用一次烧写PROM相比减少了PCB的布板面积，有利于设备的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及SRAM型FPGA在航天领域的应用领域，尤其涉及一种监控SRAM型FPGA在太空中是否发生单粒子翻转效应并纠正重加载的方法及系统。
背景技术
空间中充满了各种粒子，包括质子、电子、粒子、重离子等。这些粒子来自各个方面，包括地球俘获带、银河宇宙射线、太阳宇宙射线等，普遍具有非常强的穿透能力，很难被完全屏蔽。逻辑器件会受到由这些粒子而引起的辐射效应的影响，其中最重要的就是单粒子效应。这些粒子引起的辐射效应，尤其是单粒子效应(SEE，Single Event Effect)影响着空间电子仪器的可靠性。
单粒子效应是指当能量足够大的粒子射入集成电路时，由于电离效应，产生数量极多的电离空穴—电子对，引起半导体器件的软错误，使逻辑器件和存储器产生单粒子翻转，模拟器件产生单粒子瞬态脉冲，CMOS工艺器件产生单粒子闭锁，甚至出现单粒子永久损伤、栅穿及烧毁等现象。单粒子效应主要包括单粒子翻转以及单粒子闩锁。
由单粒子效应而引起存储单元中的位翻转，称为单粒子翻转(SEU)，该错误是SRAM型FPGA在高能粒子作用下的主要错误方式。另外一种主要的单粒子效应是单粒子闩锁(SEL)，是指高能带电粒子穿过CMOS电路的PN/PN结构时，电离作用会使CMOS电路中的可控硅结构被触发导通，由此在电源与地之间形成低电阻大电流通路的现象。
单粒子效应对航天器的危害已经产生了许多严重的后果，严重威胁着空间电子仪器中超大规模集成电路(VLSI)的可靠性。1989年10月19日的太阳质子事件期间，美国TDRS-l卫星的RAM存储器记录到239次单粒子翻转事件；我国“风云一号B”气象卫星于1990年9月发射后，星上姿控计算机受到高能粒子的作用，多次出现单粒子翻转，从而致使卫星姿态失控、卫星失效；美国MSTI和IRON9906卫星分别于1993年和1997年发生严重单粒子效应而提前结束寿命。1971年至1986年国外发射的39颗同步卫星资料异常情况统计显示，卫星异常状态记录中的71％是由空间辐射效应引起的，而单粒子效应故障占这类故障的55％。
随着制造工艺的提高，超大规模集成电路的特征尺寸越来越小，其栅长度、节点尺寸、深度、氧化层厚度等都相应减小，PN结临界电荷也大大下降。另一方面，VLSI工作频率越来越高，工作电压越来越低。这些变化都使它对单粒子效应表现出了更强的敏感性。
特征尺寸的减小增加了数字信号处理平台对单粒子效应的敏感性。当FPGA特征尺寸从500nm减小到90nm的时候，单粒子翻转截面的增量超过了一个数量级。
内核工作电压的降低增加了数字信号处理平台对单粒子效应的敏感性，SRAM工作电压从5V降低到2V，其单粒子翻转截面提高了近两个数量级。
工作频率的提高增加了数字信号处理平台对单粒子效应的敏感度，工作频率越高，数字信号处理器件的Cache、寄存器等存储单元的单粒子翻转截面也就越大。
PN结密度增加增大了数字信号处理平台的SEMU概率。由于超大规模集成电路PN结单粒子效应敏感区的减小和密度的增大，单个高能粒子可能直接影响两个甚至多个节点的敏感区，进而引发单粒子多位翻转(SEMU)。另外，超大规模集成电路PN结临界电荷的减小，质子可以直接引起单粒子效应甚至是SEMU。对于SRAM型FPGA来讲，抗单粒子效应设计更加紧迫。
但是，目前在我国，FPGA的应用存在两个严重问题：
第一，由于政治原因，高性能、高可靠性信号处理器件面临美国和欧洲航天大国的禁运，我国数字信号处理平台中高性能器件的进口受到限制，尤其是大规模、高等级的FPGA；
第二，限于制造工艺和技术等方面的原因，目前我国还没有自主研发的高性能辐射加固FPGA，普通工业级甚至是军品级的器件由于大量采用片上SRAM，受空间高能粒子影响发生单粒子效应的概率大大提高，严重影响器件的正常工作，这限制了它们在数字信号处理平台中的应用。
解决这两个问题需要一方面加强抗辐射的高性能数字信号处理器件的自主研发，另一方面加强高性能数字信号处理器件抗辐射加固设计方法的研究。
发明内容
本发明提供了一种监控SRAM型FPGA在太空中是否发生单粒子翻转效应并且进行纠正重加载的方法及系统，适用于SRAM型FPGA在太空中应用时进行可靠性增强设计，特别是对PCB布板面积有一定要求的场景。
一种监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的系统，包括依次连接的FLASH存储芯片、反熔丝FPGA和SRAM型FPGA；
所述的反熔丝FPGA包括回读模块、读取FLASH数据模块、比对模块和重加载模块；
所述的回读模块，用于回读SRAM型FPGA的配置字；
所述的读取FLASH数据模块，用于读取预存在FLASH存储芯片内的数据；
所述的比对模块，用于对回读的配置字与预存的数据进行比对校验，并判断SRAM型FPGA是否发生单粒子翻转；
所述的重加载模块，利用预存在FLASH存储芯片内的加载文件对SRAM型FPGA进行重新加载。
本发明利用SRAM型FPGA的配置字回读功能，在只增加了一片FLASH存储芯片的情况下，有效的增强了其抗单粒子效应的能力，同时将加载文件预存在FLASH存储芯片中对SRAM型FPGA进行重加载，相比采用一次烧写PROM的加载方式有效的减少了PCB布板面积。
所述回读模块所回读的配置字包括读取指令的输出、回读时序的输出以及回读数据的接收。
预存在FLASH存储芯片内的数据包括用于配置字比对的.rbb文件和.msk文件、以及用于重加载的.bin文，每份文件均有三份。
所述的.rbb文件、.msk文件以及.bin文件，是在SRAM型FPGA代码确定之后利用Xilinx的编译工具ISE一起生成的，.rbb文件为配置字比对文件，与SRAM型FPGA的回读数据进行比对，检查配置字是否发生了翻转；.msk文件为屏蔽文件，用于屏蔽配置字中某些不需比对的数据；.bin文件为加载文件，用于对SRAM型FPGA进行加载，每份文件均预存于FLASH存储芯片之内，并且均备份成三份。
所述的比对模块包括三模比对校正模块和配置字比对；
所述的三模比对校正模块，针对预存在FLASH存储芯片中的三份相同的数据文件，采用三取二得到正确的数据，若发现有错误的数据则对错误数据进行重新写入纠正；
所述的配置字比对，将从SRAM型FPGA回读得到的数据与.msk文件的反码进行按位与操作后，和.rbb文件与.msk文件的反码进行按位与操作之后的数据进行比较，判断是否发生了单粒子翻转现象。
所述的重加载模块利用预存的.bin文件，模仿PROM的时序对SRAM型FPGA进行加载。
基于上述的硬件结构，本发明还提供了一种监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的方法，包括：反熔丝FPGA利用SRAM型FPGA的配置字回读功能，回读其配置字，并与预存在FLASH存储芯片内的正确配置字进行比较，检查SRAM型FPGA是否发生单粒子翻转，若发生单粒子翻转则利用预存在FLASH存储芯片内的加载程序进行重新加载。
所述SRAM型FPGA的配置字，包括读取指令的输出、回读时序的输出以及回读数据的接收。
所述的FLASH存储芯片内预存有用于配置字比对的.rbb文件和.msk文件、以及用于重加载的.bin文，且每份文件均有三份，针对三份相同的数据，通过三取二得到正确的数据，即为所述的正确配置字。
在方法中，在比对SRAM型FPGA之前，首先对FLASH存储芯片内的三份数据进行比对校验。FLASH存储芯片的翻转特性是，0较容易翻转成1，而1则很难翻转成0；而在未擦除的情况下，只能从1写成0，不能从0写成1。利用这一特性，当在三模校验时发现0翻转成1时，可以立即对该位进行校正，以保证FLASH存储芯片内的预存数据保持正确。
将SRAM型FPGA回读得到的数据与.msk文件的反码进行按位与操作后，和.rbb文件与.msk文件的反码进行按位与操作之后的数据进行比较，若不一致则认为发生了单粒子翻转现象。
在三模校验结束之后，利用SRAM型FPGA的回读接口回读其当前的配置字，比对的方法为按字节回读比对。当回读出一个字节的配置字之后，首先将该字节配置字与预存的.msk文件以及.rbb文件中相对应的数据位进行比对，若一致则比对下一个字节，若不一致则将错误计数累加不一致的bit位数之后再比对下一个字节。
在本发明中，回读所采用的是动态回读的方式，即回读时不会打断SRAM型FPGA的当前运行的功能。
所述的回读比对过程结束之后，查看错误计数，若错误计数在容忍范围之内，则过程结束，认为SRAM型FPGA可以正常工作，没有因受单粒子翻转效应而导致功能异常。反之，若错误计数在容忍范围之外，则利用预存在FLASH存储芯片之内的.bin文件对SRAM型FPGA进行重加载，恢复SRAM型FPGA的正常功能。
若发生单粒子翻转，利用预存在FLASH存储芯片内的.bin文件，模仿PROM的时序对SRAM型FPGA进行加载，同时.bin文件预存三份，在加载之前进行三取二比对工作，保证加载文件的正确性。
重加载时，在加载之前同样首先对.bin文件进行三模比对校验，得到正确的加载文件之后再对SRAM型FPGA进行加载。反熔丝FPGA读取.bin文件之后，模拟PROM的加载时序对SRAM型FPGA进行加载。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1)本发明对比对数据进行了三模冗余的可靠性增强设计，保证了比对数据的可靠性，同时利用FLASH存储芯片的特性，在FLASH存储芯片发生0到1单粒子翻转的情况下可以进行纠正，更进一步的保证了整个比对结果的可信度；
2)本发明利用反熔丝FPGA读取FLASH存储芯片内的加载数据对SRAM型FPGA进行重加载，同时对加载数据.bin文件进行三模冗余备份，与采用一次烧写PROM的加载方法有效的减少了PCB的布板面积，特别是当采用大容量的SRAM型FPGA时，一次烧写PROM容量有限，通常需要两片甚至三片来存储加载文件，占用了过多的PCB布板面积。
附图说明
图1是本发明的设计结构框图；
图2是本发明中反熔丝FPGA的回读比对软件流程示意图；
图3是本发明中针对预存在FLASH存储芯片内的数据的检错示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图1所示，一种监控SRAM型FPGA在太空中是否发生单粒子翻转效应并纠正重加载的方法，硬件上包括一片反熔丝FPGA、一片FLASH存储芯片以及一片SRAM型FPGA。其中，SRAM型FPGA的加载相关信号线与反熔丝FPGA相连，包括CCLK、RDWR、DATA[0:7]、PROGRAM以及CS。同时，SRAM型FPGA应处于从加载模式，CCLK时钟由反熔丝FPGA提供。
如图2所示，该软件流程示意图是反熔丝FPGA中对SRAM型FPGA进行监控的主要步骤。刚上电时，状态机处于上电复位状态，在该状态下，反熔丝FPGA对存储芯片进行复位操作，同时控制SRAM型FPGA的PROGRAM信号线处于低电平状态。该信号线在低电平状态时，SRAM型FPGA会清空内部配置寄存器的数据，使得下次的配置能够顺利执行。
上电复位完成之后，状态机进入IDLE状态，在该状态下首先会判断CFG信号是否为0，若为低电平则说明SRAM型FPGA需要被配置，状态机会进入CONFIGURE状态。CFG信号在刚上电时总是为0，同时当发现回读比对错误足够多，该信号也会被置0。
在CONFIGURE状态下，通过反熔丝FPGA读取预存在FLASH存储芯片内的配置文件.bin文件对SRAM型FPGA进行手动配置，在配置结束之后，CFG信号将会被置为1，之后状态机返回IDLE状态。
在IDLE状态下，若CFG信号为1，则会再次判断RNV信号是否为0，若该信号为0，则会进入回读比对的过程，否则对CFG信号进行再次判断，依次循环。RNV信号在计时器的作用下被置0，计时器计时长度可以控制，刚上电时计时器的计时为0。
回读比对过程的第一个状态机状态是THREE_COMPARE状态，在该状态下对预存的三份.rbb文件以及三份.msk文件进行比对，进行三取二操作，对错误的数据进行重新写入，保证.rbb文件以及.msk文件的正确性。
三模比对结束之后，对SRAM型FPGA进行回读比对操作，统计单粒子翻转的总位数。
回读比对过程全部结束之后，进入COMPARE状态，对比对结果进行判断。计数器N指示了翻转的总bit数，5为预存的容忍翻转数，该数可以进行设置。当N大于容忍翻转数时，CFG信号将会被置0，并将N重置，RNV信号置1，返回IDLE状态。这样在状态机回到IDLE状态之后将会进入CONFIGURE状态，对FPGA进行重配置；反之，则只将N重置，RNV信号置1，然后返回IDLE状态。
图3所示的是针对FLASH存储芯片内部数据的检查纠正流程图。该图以.msk文件为例，首先读取三份匹配的数据，然后按位比较，若一致则比对下一个数据，若不一致则对异常的数据进行重新写入操作，之后再比较下一个数据。
Claims (10)
1.一种监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的系统，其特征在于，包括依次连接的FLASH存储芯片、反熔丝FPGA和SRAM型FPGA；
所述的反熔丝FPGA包括回读模块、读取FLASH数据模块、比对模块和重加载模块；
所述的回读模块，用于回读SRAM型FPGA的配置字；
所述的读取FLASH数据模块，用于读取预存在FLASH存储芯片内的数据；
所述的比对模块，用于对回读的配置字与预存的数据进行比对校验，并判断SRAM型FPGA是否发生单粒子翻转；
所述的重加载模块，利用预存在FLASH存储芯片内的加载文件对SRAM型FPGA进行重新加载。
2.如权利要求1所述的监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的系统，其特征在于，所述回读模块所回读的配置字包括读取指令的输出、回读时序的输出以及回读数据的接收。
3.如权利要求1所述的监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的系统，其特征在于，预存在FLASH存储芯片内的数据包括用于配置字比对的.rbb文件和.msk文件、以及用于重加载的.bin文，每份文件均有三份。
4.如权利要求3所述的监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的系统，其特征在于，所述的比对模块包括三模比对校正模块和配置字比对；
所述的三模比对校正模块，针对预存在FLASH存储芯片中的三份相同的数据文件，采用三取二得到正确的数据，若发现有错误的数据则对错误数据进行重新写入纠正；
所述的配置字比对，将从SRAM型FPGA回读得到的数据与.msk文件的反码进行按位与操作后，和.rbb文件与.msk文件的反码进行按位与操作之后的数据进行比较，判断是否发生了单粒子翻转现象。
5.如权利要求4所述的监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的系统，其特征在于，所述的重加载模块利用预存的.bin文件，模仿PROM的时序对SRAM型FPGA进行加载。
6.一种基于权利要求1～5任一项所述系统的监控FPGA的单粒子翻转效应并纠正重加载的方法，其特征在于，包括：反熔丝FPGA利用SRAM型FPGA的配置字回读功能，回读其配置字，并与预存在FLASH存储芯片内的正确配置字进行比较，检查SRAM型FPGA是否发生单粒子翻转，若发生单粒子翻转则利用预存在FLASH存储芯片内的加载程序进行重新加载。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述SRAM型FPGA的配置字，包括读取指令的输出、回读时序的输出以及回读数据的接收。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的FLASH存储芯片内预存有用于配置字比对的.rbb文件和.msk文件、以及用于重加载的.bin文，且每份文件均有三份，针对三份相同的数据，通过三取二得到正确的数据，即为所述的正确配置字。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，将SRAM型FPGA回读得到的数据与.msk文件的反码进行按位与操作后，和.rbb文件与.msk文件的反码进行按位与操作之后的数据进行比较，若不一致则认为发生了单粒子翻转现象。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，发生单粒子翻转，利用预存在FLASH存储芯片内的.bin文件，模仿PROM的时序对SRAM型FPGA进行加载，同时.bin文件预存三份，在加载之前进行三取二比对工作，保证加载文件的正确性。
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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