CN104579313A - 一种基于配置帧的在轨sram型fpga故障检测与修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,通过故障检测与修复系统实现,故障检测与修复系统包括主处理模块、配置帧回读模块、故障检测模块和配置帧纠错与恢复模块,本发明通过在高可靠芯片上实现的故障检测与修复系统,实现对SRAM型FPGA内部配置信息进行按帧的回读、校验及回写或改写,实现了配置信息帧级别的故障检测和修复,极大提高了FPGA因空间环境单粒子效应所引发的配置信息翻转问题的检测率和修复能力,为SRAM型FPGA提供了一种实现方式简单、资源消耗率低、无需软件支持的通用可靠性设计方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,属于卫星控制系统技术领域。
背景技术
随着航天事业的发展,小型化、系统集成化已经成为卫星发展的主要趋势,它要求所用电子元件必须具有集成度高、尺寸小的特点,这就使得现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)成为星用电子产品的主要器件。
在空间领域的应用中,使用量最多的FPGA是基于CMOS SRAM工艺,但是当SRAM型FPGA应用在空间环境时,空间高能粒子会穿透FPGA器件内部并在路径上产生电离,内部电路节点会因电离产生的电子或空穴的扩散和漂移引起电路节点上瞬时电流干扰而导致电路错误,并且随着FPGA芯片工艺的不断提高,空间环境下工作的SRAM型FPGA单粒子效应出现频度也明显地增加了,这严重制约了SRAM型FPGA在空间的应用。因此如何提高SRAM型FPGA的抗单粒子效应能力,增加可靠性就成为了决定SRAM型FPGA是否能够广泛应用于空间电子系统的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足,提供一种基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,该方法弥补了SRAM型FPGA空间抗辐射能力的不足,解决了SRAM型FPGA因配置信息过大,无法快速、灵活的实现故障检测和修复等问题,为SRAM型FPGA提供了一种实现方式简单、资源消耗率低、无需软件支持的通用可靠性设计方法。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
一种基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,通过故障检测与修复系统实现,所述故障检测与修复系统包括:主处理模块、配置帧回读模块、故障检测模块和配置帧纠错与恢复模块,具体实现方法如下:
(1)、主处理模块完成上电后,处于等待指令状态,若收到地面测控站发送的允许配置帧回读与校验指令,则开始对待检测的SRAM型FPGA进行回读和校验操作,进入步骤(2);若未收到地面测控站发送的允许配置帧回读与校验指令,则仅要求故障检测模块对待检测的SRAM型FPGA的工作状态和功能模块进行检测;同时将从地面测控站接收的改写指令或回写指令发送给配置帧纠错与恢复模块;
(2)、主处理模块将待检测的SRAM型FPGA的帧地址发送至配置帧回读模块,进入步骤(3);
(3)、配置帧回读模块接收地面测控站发送的允许配置帧回读与校验指令和主处理模块发送的帧地址,首先向故障检测模块发送配置接口检测要求,故障检测模块根据检测要求对待检测的SRAM型FPGA的配置接口进行检测,若检测成功,则配置帧回读模块向待检测的SRAM型FPGA发送回读指令,实现待检测的SRAM型FPGA配置帧数据的回读,进入步骤(4);若检测不成功,故障检测模块向主处理模块反馈检测不成功信息;
(4)、配置帧回读模块将从待检测的SRAM型FPGA回读的数据输出至故障检测模块中实现对回读帧数据的CRC校验运算,进入步骤(5);
(5)、故障检测模块调取外部存储器中预先存储的标准值,并将步骤(4)中的校验运算结果与所述标准值进行比对,如果比对结果相同,则表示当前回读帧数据运行状态正常,向主处理模块返回当前回读帧数据检测完成标志,进入步骤(6);若比对结果不相同,则表示当前回读帧数据发生故障,此时故障检测模块将当前回读帧数据的帧地址序号输出至配置帧纠错与恢复模块,进入步骤(7);
(6)、主处理模块根据当前回读帧地址计算得到下一回读帧的帧地址;若此时仍为允许回读状态,若帧地址未到达最后地址,则返回步骤(2),继续下一帧的回读与校验处理;若帧地址已到达最后地址,则将帧地址置为初始地址,返回步骤(2),开始下一轮的回读与校验处理;若此时发现处于禁止回读状态,则返回步骤(1);
(7)、配置帧纠错与恢复模块根据从主处理模块接收的改写指令或回写指令,判断对错误帧进行回写操作或者改写操作,从而实现对故障的修复;之后向主处理模块返回帧检测完成标志,返回步骤(6)。
在上述基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法中,故障检测模块包括配置帧CRC校验运算模块、检测配置接口模块、工作状态及功能检测模块和校验模块,其中步骤(1)中工作状态及功能检测模块对待检测的SRAM型FPGA的工作状态和功能模块进行检测,步骤(3)中检测配置接口模块对待检测的SRAM型FPGA的配置接口进行检测,步骤(4)中配置帧CRC校验运算模块实现对回读数据的CRC校验运算,步骤(5)中校验模块将校验运算结果与外部存储器中预先存储的标准值进行比对。
在上述基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法中,步骤(4)中故障检测模块中采用CRC8、CRC16、CRC32或累加和校验实现对回读数据的CRC校验运算。
在上述基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法中,配置帧纠错与恢复模块包括配置帧回写模块与配置帧改写模块,其中配置帧回写模块对错误帧进行回写操作,配置帧改写模块对错误帧进行改写操作。
在上述基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法中,故障检测模块检测到待检测的SRAM型FPGA的配置接口出现故障,工作状态出现故障或者功能模块出现故障,则故障检测模块将故障信息发送给主处理模块,主处理模块将所述故障信息发送给地面测控站,若主处理模块接收到地面测控站发送的重配指令,则对待检测的SRAM型FPGA进行重配置。
在上述基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法中,步骤(1)中待检测的SRAM型FPGA的功能模块包括看门狗和串口模块。
本发明与现有技术相比的有益效果如下:
(1)、本发明通过在高可靠芯片上实现的故障检测与修复系统,实现对SRAM型FPGA内部配置信息进行按帧的回读、校验及回写或改写,实现了配置信息帧级别的故障检测和修复,极大提高了FPGA因空间环境单粒子效应所引发的配置信息翻转问题的检测率和修复能力;
(2)、本发明故障检测与修复方法高效、可靠、便捷,实现了无处理器方式的SRAM型FPGA配置信息回读,利用CRC校验码对配置信息进行校验,并依据校验结果按帧对SRAM型FPGA出错的配置信息进行修复,是提高SRAM型FPGA空间抗辐射能力的重要手段;
(3)、本发明实现了配置信息以帧为单位的校验值比较,改变了过去配置数据按位逐个的比较,极大地提高了检错速度;且仅对校验出错的帧进行故障修复,提高了系统纠错速度;
(5)、本发明通过注入新的信息,实现对配置单元逻辑重组,实现动态故障修复设计,极大地增强了SRAM型FPGA抗空间辐射能力;
(6)、本发明除帧配置数据的校验与恢复外,还实现了多种类的SRAM型FPGA抗单粒子翻转能力设计方法,包括配置接口检测、FPGA状态信号监测及FPGA运行模块功能状态的实时监测等;
(7)、本发明解决了需要依靠软件定期检测SRAM型FPGA的工作状态,实现了无处理器参与的快速的自行检测与修复处理;提供了SRAM型FPGA配置信息的分析与定位,可以明确指出某个信号或寄存器在配置文件中存储的实际地址;
(8)、本发明具有较强的设计兼容性,硬件设计简单,印制板面积开销小,具有较强的可制造性和可使用性,能够广泛的适用于对SRAM型FPGA产品工作可靠性和抗单粒子能力有较高要求的场合,可以在SRAM型FPGA涉及的产品中广泛使用。
本发明技术方案在航天某型号中已实际应用,并取得了良好的效果。
附图说明
图1为本发明故障检测与修复方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
如图1所示为本发明故障检测与修复方法原理图,本发明基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,通过故障检测与修复系统实现,故障检测与修复系统包括:主处理模块、配置帧回读模块、故障检测模块和配置帧纠错与恢复模块,其中故障检测模块包括配置帧CRC校验运算模块、检测配置接口模块、工作状态及功能检测模块和校验模块,配置帧纠错与恢复模块包括配置帧回写模块与配置帧改写模块,主处理模块包括指令接收、状态反馈、FPGA的回读、检测与故障恢复流程处理和重配置处理,本发明故障检测与修复系统在FPGA上使用VHDL语言实现,具体实现方法如下:
(1)、主处理模块完成上电后,处于等待指令状态,若收到地面测控站发送的允许配置帧回读与校验指令,则开始对待检测的SRAM型FPGA进行回读和校验操作,进入步骤(2);若未收到地面测控站发送的允许配置帧回读与校验指令,则仅要求故障检测模块中的工作状态及功能检测模块对待检测的SRAM型FPGA的工作状态和功能模块进行检测;功能模块包括看门狗和串口模块;同时将从地面测控站接收的改写指令或回写指令发送给配置帧纠错与恢复模块。
(2)、主处理模块将待检测的SRAM型FPGA的帧地址发送至配置帧回读模块,进入步骤(3)。
(3)、配置帧回读模块接收地面测控站发送的允许配置帧回读与校验指令和主处理模块发送的帧地址,首先向故障检测模块发送配置接口检测要求,故障检测模块中的检测配置接口模块根据检测要求对待检测的SRAM型FPGA的配置接口进行检测,若检测成功,则配置帧回读模块向待检测的SRAM型FPGA发送回读指令,实现待检测的SRAM型FPGA配置帧数据的回读,进入步骤(4);若检测不成功,故障检测模块向主处理模块反馈检测不成功信息。
(4)、配置帧回读模块将从待检测的SRAM型FPGA回读的数据输出至故障检测模块中的配置帧CRC校验运算模块,实现对回读帧数据的CRC校验运算,进入步骤(5);其中故障检测模块中采用CRC8、CRC16、CRC32或累加和校验实现对回读数据的CRC校验运算。
(5)、故障检测模块中的校验模块调取外部存储器中预先存储的标准值,并将步骤(4)中的校验运算结果与所述标准值进行比对,如果比对结果相同,则表示当前回读帧数据运行状态正常,向主处理模块返回当前回读帧数据检测完成标志,进入步骤(6);若比对结果不相同,则表示当前回读帧数据发生故障,此时故障检测模块中的校验模块将当前回读帧数据的帧地址序号输出至配置帧纠错与恢复模块,进入步骤(7)。
(6)、主处理模块根据当前回读帧地址计算得到下一回读帧的帧地址;若此时仍为允许回读状态,若帧地址未到达最后地址,则返回步骤(2),继续下一帧的回读与校验处理;若帧地址已到达最后地址,则将帧地址置为初始地址,返回步骤(2),开始下一轮的回读与校验处理;若此时发现处于禁止回读状态,则返回步骤(1)。
(7)、配置帧纠错与恢复模块根据从主处理模块接收的改写指令或回写指令,判断对错误帧进行回写操作或者改写操作,其中通过配置帧回写模块对错误帧进行回写操作,即配置帧回写模块从外部高可靠的存储器中读取预先固化的帧数据,将帧数据写入待检测的SRAM型FPGA,完成回写操作。通过配置帧改写模块对错误帧进行改写操作,即配置帧改写模块从地面测控站接收新的帧数据,将该帧数据写入待检测的SRAM型FPGA,完成改写操作。上述过程实现对故障的修复。之后向主处理模块返回帧检测完成标志,返回步骤(6)。
上电后,故障检测模块持续不断对SRAM型FPGA的工作状态信号和部分功能模块进行检测,若故障检测模块检测到待检测的SRAM型FPGA的配置接口出现故障,工作状态出现故障或者功能模块出现故障,则故障检测模块将故障信息发送给主处理模块,主处理模块将所述故障信息发送给地面测控站,若主处理模块接收到地面测控站发送的重配指令,则对待检测的SRAM型FPGA进行重配置。
本发明提出的基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,实现了无处理器方式的SRAM型FPGA配置信息回读,利用CRC校验码对配置信息进行校验,并依据校验结果按帧对SRAM型FPGA出错的配置信息进行修复,是提高SRAM型FPGA空间抗辐射能力的重要手段。
当然,本发明还可有其他多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,其特征在于:通过故障检测与修复系统实现,所述故障检测与修复系统包括:主处理模块、配置帧回读模块、故障检测模块和配置帧纠错与恢复模块,具体实现方法如下:
(1)、主处理模块完成上电后,处于等待指令状态,若收到地面测控站发送的允许配置帧回读与校验指令,则开始对待检测的SRAM型FPGA进行回读和校验操作,进入步骤(2);若未收到地面测控站发送的允许配置帧回读与校验指令,则仅要求故障检测模块对待检测的SRAM型FPGA的工作状态和功能模块进行检测;同时将从地面测控站接收的改写指令或回写指令发送给配置帧纠错与恢复模块;
(2)、主处理模块将待检测的SRAM型FPGA的帧地址发送至配置帧回读模块,进入步骤(3);
(3)、配置帧回读模块接收地面测控站发送的允许配置帧回读与校验指令和主处理模块发送的帧地址,首先向故障检测模块发送配置接口检测要求,故障检测模块根据检测要求对待检测的SRAM型FPGA的配置接口进行检测,若检测成功,则配置帧回读模块向待检测的SRAM型FPGA发送回读指令,实现待检测的SRAM型FPGA配置帧数据的回读,进入步骤(4);若检测不成功,故障检测模块向主处理模块反馈检测不成功信息;
(4)、配置帧回读模块将从待检测的SRAM型FPGA回读的数据输出至故障检测模块,完成对回读帧数据的CRC校验运算,进入步骤(5);
(5)、故障检测模块调取外部存储器中预先存储的标准值,并将步骤(4)中的校验运算结果与所述标准值进行比对,如果比对结果相同,则表示当前回读帧数据运行状态正常,向主处理模块返回当前回读帧数据检测完成标志,进入步骤(6);若比对结果不相同,则表示当前回读帧数据发生故障,此时故障检测模块将当前回读帧数据的帧地址序号输出至配置帧纠错与恢复模块,进入步骤(7);
(6)、主处理模块根据当前回读帧数据的帧地址计算得到下一回读帧数据的帧地址;若此时仍为允许回读状态,若帧地址未到达最后地址,则返回步骤(2),继续下一帧的回读与校验处理;若帧地址已到达最后地址,则将帧地址置为初始地址,返回步骤(2),开始下一轮的回读与校验处理;若此时发现处于禁止回读状态,则返回步骤(1);
(7)、配置帧纠错与恢复模块根据从主处理模块接收的改写指令或回写指令,对错误帧进行回写操作或者改写操作,从而实现对故障的修复;之后向主处理模块返回帧检测完成标志,返回步骤(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,其特征在于:所述故障检测模块包括配置帧CRC校验运算模块、检测配置接口模块、工作状态及功能检测模块、校验模块,其中步骤(1)中工作状态及功能检测模块对待检测的SRAM型FPGA的工作状态和功能模块进行检测,步骤(3)中检测配置接口模块对待检测的SRAM型FPGA的配置接口进行检测,步骤(4)中配置帧CRC校验运算模块实现对回读数据的CRC校验运算,步骤(5)中校验模块将校验运算结果与外部存储器中预先存储的标准值进行比对。
3.根据权利要求1所述的一种基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,其特征在于:所述步骤(4)中故障检测模块中采用CRC6、CRC16、CRC32或累加和校验实现对回读数据的CRC校验运算。
4.根据权利要求1所述的一种基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,其特征在于:所述配置帧纠错与恢复模块包括配置帧回写模块与配置帧改写模块,所述步骤(7)中配置帧回写模块对错误帧进行回写操作,配置帧改写模块对错误帧进行改写操作。
5.根据权利要求1所述的一种基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,其特征在于:所述故障检测模块检测到待检测的SRAM型FPGA的配置接口出现故障,工作状态出现故障或者功能模块出现故障,则故障检测模块将故障信息发送给主处理模块,主处理模块将所述故障信息发送给地面测控站,若主处理模块接收到地面测控站发送的重配指令,则对待检测的SRAM型FPGA进行重配置。
6.根据权利要求1所述的一种基于配置帧的在轨SRAM型FPGA故障检测与修复方法,其特征在于:所述步骤(1)中待检测的SRAM型FPGA的功能模块包括看门狗和串口模块。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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