基于FPGA定时刷新控制单元的应用技术研究

SRAM型FPGA在航天领域有着广泛的应用,为解决FPGA在宇宙环境中单粒子翻转的问题,适应空间应用需求,给出了一种低成本抗辐照解决方案,对耐辐射FPGA器件进行抗单粒子翻转加固设计。该方案兼容多种型号FPGA芯片,从3片SPI FLASH中读取配置数据,通过串行接口配置FPGA,并在配置完成后按照设定时间周期性刷新芯片,可以满足航天领域对抗辐照型FPGA的使用需求。     

FPGA自主刷新技术研究

FPGA自主刷新技术是一种有效减缓FPGA单粒子翻转效应的措施,有利于提高FPGA空间应用时的可靠性。以Xilinx公司Virtex-7系列FPGA为例,研究基于内部配置访问接口(Internal Configuration Access Port,ICAP)对配置存储器的回读和刷新技术、基于帧纠错码(Frame Error Correction Code,FRAME_ECC)对配置存储器的检错和纠错技术等关键技术,使FPGA在空间应用时能够自主检测并纠正由于单粒子翻转造成的FPGA配置存储器位翻转错误,实现对每帧回读配置存储器数据中1比特位翻转错误的纠正及2比特位翻转错误的检测。     

宇航用VIRTEX5系列FPGA的动态刷新方法及实现

SRAM型FPGA在宇航领域有广泛的应用,为解决FPGA在空间环境中的单粒子翻转问题,增强设计的可靠性,本文给出了一种低成本的抗辐照解决方案。该方案从外置高可靠存储器中读取配置数据,通过定时刷新结合三模冗余的方式消除单粒子影响,提高了系统的鲁棒性。     

基于FPGA芯片的抗单粒子翻转的动态刷新技术研究

在分析FPGA空间单粒子效应的基础上,为了实现星载电子设备运行的稳定性,研究FPGA的动态刷新原理,介绍了几种抗单粒子翻转方法,根据位流文件设计出用于动态刷新的指令并通过实例验证。通过FPGA定期从PROM中读取用户配置信息,动态刷新内部配置信息,从而减少FPGA配置存储器发生单粒子翻转的概率,提高星载电子设备运行的可靠性。     

超大规模FPGA的单粒子效应脉冲激光测试方法

建立了一种28 nm HPL硅工艺超大规模SRAM型FPGA的单粒子效应测试方法。采用静态测试与动态测试相结合的方式,通过ps级脉冲激光模拟辐照实验,对超大规模FPGA进行单粒子效应测试。对实验所用FPGA的各敏感单元(包括块随机读取存储器、可配置逻辑单元、可配置存储器)的单粒子闩锁效应和单粒子翻转极性进行了研究。实验结果证明了测试方法的有效性,揭示了多种单粒子闩锁效应的电流变化模式,得出了各单元的单粒子效应敏感性区别。针对块随机读取存储器、可配置逻辑单元中单粒子效应翻转极性的差异问题,从电路结构方面进行了机理分析。     

SRAM型FPGA单粒子翻转测试及加固技术研究

SRAM型FPGA空间应用日益增多,只有针对其特点设计相应的单粒子试验的测试程序才能系统、准确地获取该类芯片的单粒子翻转特性,为抗辐射加固设计提供依据.阐述了单粒子翻转的静态和动态的测试方法.静态测试包括硬件设计和配置位回读程序的设计;动态测试主要针对CLB(配置逻辑单元)和BRAM(块存储器)两部分进行了相应的软件测...     

基于亿门级UltraScale+架构FPGA的单粒子效应测试方法

UltraScale+ 架构 FPGA 采用 16 nm Fin FET 工艺,功耗低且性能高,但存在粒子翻转阈值下降及多位翻转增多等风险。基于线性能量传输 (LET) 等效机理,选取⁷Li³⁺、¹⁹F⁹、³⁵Cl^11,14+、⁴⁸Ti^10,15+、⁷⁴Ge^11,20+、¹²⁷I^15,25+、¹⁸¹Ta、²⁰⁹Bi 8 种重离子进行直接电离单粒子试验,建立单粒子闩锁 (SEL)、翻转阈值、翻转截面及多位翻转的测定方法。结合 LET 通量及 Fin FET 结构下的注射倾角,搭建甄别单位翻转及多位翻转的识别算法,能够实时处理并实现粒子翻转状态及多位翻转数据的可视化监控。所涉及的单粒子效应 (SEE) 分析方法能够较为全面地评估该电路的抗辐照特性。     

SRAM型FPGA单粒子翻转模拟系统研究

SRAM型FPGA在空间辐照环境下,容易受到单粒子效应的影响,导致FPGA存储单元发生位翻转,翻转达到一定程度会导致功能错误。为了评估FPGA对单粒子效应的敏感程度和提高FPGA抗单粒子的可靠性,对实现故障注入的关键技术进行了研究,对现有技术进行分析,设计了单粒子翻转效应敏感位测试系统,利用SRAM型FPGA部分重配置特性,采用修改FPGA配置区数据位来模拟故障的方法,加速了系统的失效过程,实现对单粒子翻转敏感位的检测和统计,并通过实验进行验证,结果表明:设计合理可行,实现方式灵活,成本低,为SRAM型FPGA抗单粒子容错设计提供了有利支持。     

Virtex FPGA抗单粒子翻转技术

SRAM型FPGA开发过程灵活,在航天领域有广泛的应用,但该系列FPGA易发生单粒子翻转事件,导致功能中断或信息丢失。配置刷新结合三模冗余能有效抑制单粒子翻转带来的影响。在详细讨论了配置刷新+三模冗余的基础上,提出了FPGA自主刷新+三模冗余的解决方案,保证FPGA抗单粒子性能的基础上提高了系统的资源利用率,经注错试验验证了方案可行性。     

FPGA抗单粒子翻转软硬件设计分析

介绍了FPGA在空间运行中所受单粒子效应的影响,提出了减缓单粒子翻转影响的硬件设计准则和软件设计方法（TMR和EDAC）,并分析了TMR和EDAC所能达到的效果,为后续星载FPGA抗单粒子翻转设计提供了参考依据。     

抗单粒子翻转的双端口SRAM定时刷新机制研究

在空间辐射环境下,存储单元对单粒子翻转的敏感性日益增强。通过比较SRAM的单粒子翻转效应相关加固技术,在传统EDAC技术的基础上,增加少量硬件模块,有效利用双端口SRAM的端口资源,提出了一种新的周期可控定时刷新机制,实现了对存储单元数据的周期性纠错检错。对加固SRAM单元进行分析和仿真,结果表明,在保证存储单元数据被正常存取的前提下,定时刷新机制的引入很大程度地降低了单粒子翻转引起的错误累积效应,有效降低了SRAM出现软错误的概率。     

单粒子翻转效应的FPGA模拟技术

随着半导体工艺节点遵循摩尔定律逐渐缩小,空间环境中辐射诱发的单粒子效应(Single Event Effect,SEE)对集成电路造成的影响却在不断增加.单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)效应是最为普遍的单粒子效应,表现为电路存储单元和时序逻辑中的逻辑位翻转,在集成电路中常采用故障注入技术来模拟...     

一种用刷新技术实现SRAM抗SEU错误累积的方法

为了防止空间应用SRAM出现SEU错误累积,提出了一种优化的读→校验→回写刷新机制.该机制实时监测处理器状态,当处理器对外部主存进行读操作时,由存储器控制器自主地(即不需处理器干预)对读操作的存储单元进行刷新操作;当处理器进行访问外部主存以外的其他操作时,由存储器控制器自主的对所有的存储单元进行遍历式刷新操作,该机制可以避免长时间未被读的存储单元发生SEU错误的累积,保证SRAM单元中发生错误的比特位数小于校验码的纠检错能力.最后,通过向SRAM随机注错的方法对本机制的存储器控制器进行验证,结果表明存储器控制器满足设计要求.     

多工作模式的刷新成像系统

为克服在轨单粒子翻转并实现灵活可靠的多工作模式,设计了基于Xilinx现场可编程逻辑器件和上海复旦微刷新芯片的刷新成像系统。使用单组菊花链结构的串行总线进行5组刷新成像单元串口控制,FPGA将接收到的数据内部转换后再对刷新芯片配置或重注。通过刷新使能信号控制刷新芯片是否加电,同时决定FPGA以主并工作方式从PROM加载还是从并方式在刷新芯片的控制下加载。通过控制电平设置,实现加载数据源的选择。在各供电电源完毕后,使用外部的复位信号对刷新芯片进行复位,满足刷新芯片复位后立即启动配置的时序要求。实验结果表明,以波特率625kbit/s菊花链方式,传输单包204byte的数据仅需0.3776ms,远低于刷新串口所需的2.01ms,可以进行多组的分时工作。采用少量单端控制信号结合菊花链串行总线的刷新成像系统,多种工作模式稳定可靠,具备设计灵活性和在轨可维护性。     

多工作模式的刷新成像系统

为克服在轨单粒子翻转并实现灵活可靠的多工作模式,设计了基于Xilinx现场可编程逻辑器件和上海复旦微刷新芯片的刷新成像系统。使用单组菊花链结构的串行总线进行5组刷新成像单元串口控制,FPGA将接收到的数据内部转换后再对刷新芯片配置或重注。通过刷新使能信号控制刷新芯片是否加电,同时决定FPGA以主并工作方式从PROM加载还是从并方式在刷新芯片的控制下加载。通过控制电平设置,实现加载数据源的选择。在各供电电源完毕后,使用外部的复位信号对刷新芯片进行复位,满足刷新芯片复位后立即启动配置的时序要求。实验结果表明,以波特率625kbit/s菊花链方式,传输单包204byte的数据仅需0.3776ms,远低于刷新串口所需的2.01ms,可以进行多组的分时工作。采用少量单端控制信号结合菊花链串行总线的刷新成像系统,多种工作模式稳定可靠,具备设计灵活性和在轨可维护性。     

基于FPGA与Raspberry Pi的SEU测试系统设计

为了检测在大气粒子辐照条件下,FPGA产生翻转效应的误码率,设计了一种基于FPGA与Raspberry Pi的单粒子翻转效应测试系统。该设计采用FPGA作为系统主控,接收GPS实时信息并根据GPS的秒脉冲进行工作;主控FPGA对被测FPGA进行数据下载与回读,并将比较结果发送到接口FPGA;首次采用Raspberry Pi作为上位机与接口FPGA进行通信,并将测试结果实时屏显同时保存到Micro SD卡,提高了存储的灵活性。通过青藏高原实测结果表明,该设计能实时显示测试结果,中子测试结果与中子探测仪保持一致,系统工作长时间保持稳定。现场获得了有效的测试数据,该系统满足设计要求。     

面向ARINC429总线的抗辐照翻转故障测试系统

大气中的辐射效应是伴随着微电子技术进步而衍生出的新危害,是航空工业部门之前从未遇见的新的技术难题。以SRAM型FPGA所构成的ARINC429航空数据总线作为研究对象,研究其抗翻转故障效果。基于SRAM型器件搭建航空数据总线抗辐照翻转故障测试系统,评价航空器件对辐照效应防护能力。测试实验结果表明,系统能够正确响应不同类型的故障注入并经过表决器输出计算结果,实现对翻转故障加固的有效性的直观评测。     

一种基于FPGA的微处理器软错误敏感性分析方法

为了自动快速地分析微处理器对软错误的敏感性,该文提出一种基于FPGA故障注入的软错误敏感性分析方法。在FPGA芯片上同时运行有故障和无故障的两个微处理器,并充分利用FPGA的并行性,把故障注入控制、故障分类、故障列表等模块均在硬件上实现,自动快速地完成全部存储位的故障注入。以PIC16F54微处理器为实验对象,基于不同负载分别注入约30万个软错误用以分析微处理器软错误敏感性,并对敏感性较高的单元加固后再次进行分析,验证该方法的有效性。实验数据表明,使用该方法进行故障注入及敏感性分析所需的时间比软件仿真方法提高了4个数量级。     

Virtex-Ⅱ系列FPGA的回读与部分重配置

介绍了基于SRAM的Virtex-Ⅱ系列FPGA试验样板的系统功能,实现了对XQ2V3000FPGA的回读与部分重配置,并给出了JTAG接口下的时序,最后分析了试验的结果。结果表明,FPGA回读可以有效地检测FPGA是否发生了单粒子翻转,而部分重配置可以有效地降低FPGA发生翻转的累积效应,并修复系统功能。