CN111176732A - 一种基于mram实现的软硬件冗余安全启动与维护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MRAM实现的低成本高可靠的软硬件冗余安全启动与维护方法，结合“三取二比对+CRC”纠检错技术，采取芯片级三模比对方式，MRAM芯片个体数据异常，不影响系统运行；对低成本卫星星载计算机的启动过程进行了设计。本发明的有益效果是实现对多位错误、芯片故障等情况实现可靠纠正与隔离，大大降低成本，支持在轨更新，维护便捷。

Description

一种基于MRAM实现的软硬件冗余安全启动与维护方法
技术领域
本发明属于星载计算机启动与维护技术领域，尤其涉及一种基于MRAM实现的软硬件冗余安全启动与维护方法。
背景技术
对于星载计算机系统来说，启动引导过程至关重要。卫星在运行过程中，受空间单粒子效应影响，即使引导程序的某个bit位发生逻辑错误，有可能使星载计算机在任务需求或故障导致重加载时无法正常运行，从而造成卫星单机失效。
目前，传统做法是使用抗空间环境能力较强的反熔丝PROM芯片，如UT28F256、HS1-6664RH-Q或者对应的国产反熔丝工艺芯片，作为启动程序的载体。此类芯片虽然抗空间环境能力较强、可靠性高，但进口型号普遍存在供货周期长、成本过高(动辄过万)、流程复杂(需有落焊环节)等因素影响，并且只能烧写一次，无法重复更新使用，这些因素长期以来制约着宇航计算机的研制和生产。
尤其对于低成本卫星来说，采用昂贵的反熔丝型芯片带来成本上的沉重负担，往往型号上级单位不能承受。现有的做法，多采用多个样本在Flash、EEPROM等芯片中进行备份，采用串联启动的方式逐份启动，直至引导成功；并且软件上采用纠错检错编码，如edac(纠一检二)、CRC等策略，增强空间防护能力。但是，低成本Flash、EEPROM等芯片自身设计工艺局限其对空间环境较为敏感，此种策略仍不能对多位错误、芯片故障等情况实现可靠纠正与隔离。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于MRAM实现的软硬件冗余安全启动与维护方法，目的是实现对多位错误、芯片故障等情况实现可靠纠正与隔离；在大大降低成本的情况下，提供一种低成本高可靠的软硬件安全冗余启动与维护方法。
本发明的技术方案为：
一种基于MRAM实现的软硬件冗余安全启动与维护方法，主要包括样本存储区、Boot 控制器、看门狗电路；样本存储区，包括3片独立的、存储内容一致的MRAM芯片；每个MRAM芯片均包括启动程序样本、样本校验码、启动暂存区、信息记录区四个分区；Boot 控制器，采用FPGA，主要包括看门狗管理单元、样本管理单元；看门狗电路，在系统不能正常喂狗的情况下，输出周期脉冲提供给Boot控制器的看门狗管理单元，提供信号触发源；
启动与维护方法包括以下步骤，
步骤一、系统加电后，Boot控制器启动看门狗管理单元，进行喂狗操作，CPU系统处于复位状态；
步骤二、Boot控制器从样本存储区的三个MRAM芯片中读取启动程序样本Ni，三取二对比后，记录结果并填写错误信息，进行CRC校验计算；若校验正确，执行步骤三；若校验错误，读取启动程序样本Ni+1，重复本步骤；
步骤三、Boot控制器将CPU系统的启动首地址映射到第1片MRAM的启动暂存区中，释放CPU系统的复位信号，CPU接管喂狗权，执行引导程序；若引导成功，执行步骤四；若引导不成功，启动首地址映射到下一片MRAM的启动暂存区，若启动首地址映射到所有 MRAM仍不成功，则跳至步骤二中“读取启动程序样本Ni+1”；
步骤四、CPU系统正常运行后，Boot控制器对MRAM中的错误信息再次读取，三取二比对后，与记录内容进行比对，若一致，则对MRAM芯片该错误信息进行回写纠正，实现启动程序可维护；
步骤五、存储的启动程序样本均执行后无法正常启动，Boot控制器启动狗咬切机策略，启用备份机工作。
和现有技术相比，本方案采用3片独立的MRAM芯片构建，3片MRAM中存储的内容完全一致；结合“三取二比对+CRC”纠检错技术，对低成本卫星星载计算机的启动过程进行了设计提升；采取芯片级三模比对方式，MRAM芯片个体数据异常，不影响系统运行；
基于上述方案，本发明还做出了如下改进：
进一步地，步骤二中，Boot控制器读取样本Ni后，按bit三模对比，将结果分别填写在3 片MRAM中的启动暂存区中；若发现有存储bit错误，将错误信息记录至相应MRAM的信息记录区中。
进一步地，步骤三中，当引导不成功时，看门口电路产生脉冲信号，触发Boot控制器中的看门狗管理单元逻辑，从而将CPU系统的启动首地址映射到下一片MRAM的启动暂存区中，释放CPU系统的复位信号，释放看门狗的喂狗权给CPU，开始执行引导程序。
进一步地，所述Boot控制器采用Flash型或熔丝型FPGA。
本技术方案的有益效果是
1)消除对宇航用反熔丝PROM存储器芯片的依赖；实现成本低廉，可靠度高；
2)采取芯片级三模比对方式，MRAM芯片个体数据异常，不影响系统运行；
3)消除宇航用反熔丝PROM芯片后期落焊及再试验等环节；
4)消除宇航用反熔丝PROM芯片只能烧写一次问题，支持在轨更新，维护便捷。
5)后续可对多片MRAM芯片进行封装设计，制作专用启动维护芯片，实现固化设计。
附图说明
图1是本发明的启动与维护系统示意图；
图2是本发明的启动与维护流程图；
图3是本发明的样本存储区分布区。
具体实施方式
下面结合某低成本卫星综合电箱具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。
如图1所示，根据本发明提供的一种基于MRAM的引导与维护系统简图，系统配置简述如下：
CPU采用Sparc V8处理器，BM3803；
样本存储区采用3片MRAM商用芯片——MR0A08B，单片容量128K*8bit；
Boot控制器采用Flash型FPGA——A3PE3000L；
看门狗电路采用MAX706构建，具体控制等操作归由FPGA管理。本实施例选取的系统配置如上，但不局限于上述型号。
由图1和图2，本发明的具体启动过程步骤如下：
步骤一，系统加电后，MAX706输出上电复位信号给FPGA(A3PE3000L)，FPGA正常启动后，首先默认将CPU拉低保持在复位状态，此时CPU系统处于等待中；FPGA启动内部看门狗管理单元，由FPGA对MAX706进行喂狗操作，目的是使看门狗电路(MAX706)不输出脉冲触发FPGA中看门狗管理单元的相关下序逻辑。
从上电开始，一直到FPGA主动释放对CPU复位信号的整个过程中，CPU系统都需要处于复位状态。
步骤二，由图3，FPGA控制从3片MRAM芯片中，读取其各自存储的启动程序样本1(同样的程序，不同载体各存储一份，容量小于32KB)，即从第1片MRAM中读取样本1-a、从第2片MRAM中读取样本1-b、从第3片MRAM中读取样本1-c；按bit三模比对后，将结果分别填写到 3片MRAM芯片各自的启动暂存区a、启动暂存区b、启动暂存区c中。若过程中发现有存储bit错误，则将错误的地址与内容记录到信息记录区；
三模比对后写入启动暂存区的过程中，需要进行CRC校验计算，与之前预置到样本校验区的3份CRC校验码的三取二比对结果进行比对。若检验和不正确，直接跳转执行：“FPGA 控制从3片MRAM芯片中读取其各自存储的启动程序样本2”，重复上述过程；若校验和正确，则继续后序步骤三。
具体存储的启动程序样本数量，本实施例存储了2份，可以根据代码大小与存储器容量设计i份(i≥2)启动程序样本，工作机理与此过程一致。多片MRAM芯片的读、写等控制信号需 FPGA独立引脚设计，严格控制、加强故障预保护，多数工况其处于只读模式，写信号设计默认无效，严格控制。
步骤三，FPGA将BM3803的启动首地址(ROMCS0*)映射到第1片MRAM的启动暂存区 a中，释放CPU系统的复位信号同时释放看门狗的喂狗权给BM3803，开始执行引导程序；
若引导过程不成功，程序不能正常喂狗，MAX706输出狗咬脉冲信号，触发FPGA中看门狗管理单元逻辑，将CPU的启动首地址(ROMCS0*)映射到第2片MRAM的启动暂存区b中，释放CPU系统的复位信号，同时释放看门狗的喂狗权给CPU，开始执行引导程序；若再不成功开始从第3片MRAM的启动暂存区c中，重复该过程。若3次均启动不成功，跳转到步骤二中，FPGA直接跳转执行：“FPGA控制从3片MRAM芯片中读取其各自存储的第2个(或者下一个) 启动程序样本”，然后重复上述过程。
若引导成功，执行后序步骤四。
步骤四，引导成功，BM3803系统正常运行后，由系统软指令通过FPGA对MRAM信息记录区中记录的错误地址对应的MRAM芯片内容进行再次读取，三取二比对后，与记录的错误内容进行比对，若一致，则由CPU对MRAM芯片该错误地址的内容进行回写纠正，达到启动程序可维护的目的。
步骤五，存储的启动样本均执行后无法正常启动CPU系统，FPGA启动内部狗咬切机策略，启用备份机工作。

Claims (4)

1.一种基于MRAM实现的软硬件冗余安全启动与维护方法，其特征在于：主要包括样本存储区、Boot控制器、看门狗电路；样本存储区，包括3片独立的、存储内容一致的MRAM芯片；每个MRAM芯片均包括启动程序样本、样本校验码、启动暂存区、信息记录区四个分区；Boot控制器，采用FPGA，主要包括看门狗管理单元、样本管理单元；看门狗电路，在系统不能正常喂狗的情况下，输出周期脉冲提供给Boot控制器的看门狗管理单元，提供信号触发源；
启动与维护方法包括以下步骤，
步骤一、系统加电后，Boot控制器启动看门狗管理单元，进行喂狗操作，CPU系统处于复位状态；
步骤二、Boot控制器从样本存储区的三个MRAM芯片中读取启动程序样本Ni，三取二对比后，记录结果并填写错误信息，进行CRC校验计算；若校验正确，执行步骤三；若校验错误，读取启动程序样本Ni+1，重复本步骤；
步骤三、Boot控制器将CPU系统的启动首地址映射到第1片MRAM的启动暂存区中，释放CPU系统的复位信号，CPU接管喂狗权，执行引导程序；若引导成功，执行步骤四；若引导不成功，启动首地址映射到下一片MRAM的启动暂存区，若启动首地址映射到所有MRAM仍不成功，则跳至步骤二中“读取启动程序样本Ni+1”；
步骤四、CPU系统正常运行后，Boot控制器对MRAM中的错误信息再次读取，三取二比对后，与记录内容进行比对，若一致，则对MRAM芯片该错误信息进行回写纠正，实现启动程序可维护；
步骤五、存储的启动程序样本均执行后无法正常启动，Boot控制器启动狗咬切机策略，启用备份机工作。
2.根据权利要求1所述的软硬件冗余安全启动与维护方法，其特征在于：步骤二中，Boot控制器读取样本Ni后，按bit三模对比，将结果分别填写在3片MRAM中的启动暂存区中；若发现有存储bit错误，将错误信息记录至相应MRAM的信息记录区中。
3.根据权利要求1所述的软硬件冗余安全启动与维护方法，其特征在于：步骤三中，当引导不成功时，看门口电路产生脉冲信号，触发Boot控制器中的看门狗管理单元逻辑，从而将CPU系统的启动首地址映射到下一片MRAM的启动暂存区中，释放CPU系统的复位信号，释放看门狗的喂狗权给CPU，开始执行引导程序。
4.根据权利要求1所述的软硬件冗余安全启动与维护方法，其特征在于：所述Boot控制器采用Flash型或熔丝型FPGA。
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