基于FPGA 定時(shí)刷新控制單元的應(yīng)用技術(shù)研究

孫潔朋， 陳波寅， 晏慧強(qiáng)， 叢紅艷， 何小飛

（無(wú)錫中微億芯有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214072）

1 引言

近年來(lái)，SRAM 型的FPGA 因其編程速度快、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)， 被大量應(yīng)用在復(fù)雜的電子設(shè)計(jì)中，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。 然而，在宇宙環(huán)境中，存在著大量的高能粒子，此工藝的FPGA 極易受到空間高能粒子的影響，發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)[1]。SEU 效應(yīng)通常會(huì)導(dǎo)致FPGA 中的存儲(chǔ)單元發(fā)生位翻轉(zhuǎn)(即內(nèi)容由0 變?yōu)?，或由1 變?yōu)?)，隨之帶來(lái)的后果可能是計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤、程序執(zhí)行序列錯(cuò)誤，工作異常，甚至是系統(tǒng)的永久失效、燒毀等[2-3]，因此必須對(duì)FPGA 器件進(jìn)行抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固設(shè)計(jì)， 最大限度地預(yù)防和阻止空間輻射效應(yīng)的影響，提高航天器任務(wù)的可靠性。

提高FPGA 抗單粒子翻轉(zhuǎn)的方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也在不斷地優(yōu)化和更新。 目前主要有以下幾種方法：①采用三模冗余，利用3 個(gè)功能相同的冗余模塊和多數(shù)表決器來(lái)避免錯(cuò)誤； ②回讀配置區(qū)的數(shù)據(jù)幀，與初始配置數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)出錯(cuò)幀或是整個(gè)配置幀進(jìn)行刷新[4]；③配置反熔絲PROM，通過(guò)編程定時(shí)刷新FPGA[5]。 三模冗余不會(huì)對(duì)出錯(cuò)配置信息進(jìn)行修復(fù)，當(dāng)錯(cuò)誤累積到一定程度，器件就會(huì)失效。 回讀刷新則一般采用反熔絲FPGA 器件控制芯片刷新，其軟硬件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜[1]。

本文給出了一種抗輻照的低成本解決方案，該控制單元采用三模冗余加定時(shí)刷新的方法來(lái)及時(shí)修正已出現(xiàn)的錯(cuò)誤，提高抗SEU 的能力，并通過(guò)RTL 代碼應(yīng)用仿真驗(yàn)證，證明該方案的各項(xiàng)功能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 整體方案設(shè)計(jì)

依據(jù)前面所介紹的設(shè)計(jì)需求，本文基于FPGA 定時(shí)刷新控制單元的整體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 刷新電路整體設(shè)計(jì)框圖

由圖1 可知，該電路需要外接3 片SPI FLASH，工作時(shí)會(huì)對(duì)3 片SPI FLASH 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行單比特校驗(yàn)，采用表決通過(guò)的數(shù)據(jù)作為正確配置信息，具有單比特糾錯(cuò)的三模校驗(yàn)功能， 然后通過(guò)串行端口， 配置V4、V5 和K7 類(lèi)型的FPGA， 并且在配置完成后對(duì)FPGA的邏輯部分進(jìn)行定時(shí)刷新[6]，糾正邏輯部分因?yàn)榉D(zhuǎn)產(chǎn)生的錯(cuò)誤，從而達(dá)到抗輻照的目的。

市面上帶有刷新控制的芯片有不少，例如中國(guó)自主研制的BSV2 定時(shí)刷新芯片和ACTEL 公司的抗輻射反熔絲FPGA A54SX32A 芯片， 這兩款芯片都有定時(shí)刷新控制，但沒(méi)有三模冗余的功能，支持的芯片為Xilinx 公司的Virtex II，而Virtex II 系列芯片可利用的邏輯單元較少，已不能適應(yīng)未來(lái)航天的發(fā)展需求。 本文中的設(shè)計(jì)采用3 片SPI FLASH 存儲(chǔ)配置信息，有三模冗余和定時(shí)刷新功能，同時(shí)兼容V4、V5 和K7 類(lèi)型的多款FPGA 芯片， 可以滿足航天領(lǐng)域?qū)馆椪招虵PGA 的使用需求。

Xilinx 公司的FPGA 芯片配置訪問(wèn)接口有JTAG、SelectMap（從串）以及ICAP 3 種，本文中設(shè)計(jì)的定時(shí)刷新器件利用FPGA 的SelectMap 接口完成配置與刷新。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文中的定時(shí)刷新控制單元，是基于SPI FLASH設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。SPI FLASH 容量為128 Mbit，電路設(shè)計(jì)的最高工作時(shí)鐘頻率為25 MHz，串行配置速率在1 MHz左右，刷新時(shí)間間隔可以選擇連續(xù)刷新、10 min、20 min、30 min 4 種模式?；赟PI FLASH 的抗輻射系統(tǒng)如圖2 所示。

FPGA 配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在3 片SPI FLASH 芯片中，與FPGA 之間通過(guò)抗輻照定時(shí)刷新單元連接，刷新電路起到數(shù)據(jù)交換的橋梁作用， 如圖2 所示。 定時(shí)刷新電路有兩種工作模式：配置模式和刷新模式。 系統(tǒng)初始上電時(shí)， 定時(shí)刷新電路處于配置模式， 通過(guò)SelectMap 模式配置FPGA，系統(tǒng)正常工作后，刷新電路進(jìn)入定時(shí)刷新模式， 按設(shè)定的時(shí)間周期性地將SPI FLASH 中的邏輯信息配置到FPGA 中，完成刷新。

SelectMap 模式的連接方式如圖2 所示，M0、M1、M2 接電源(VCC)，用于設(shè)置FPGA 的配置模式為從串模式， 即CCLK 的來(lái)源是外部。 PROGRAM_B 和INIT_B 需接4.7 kΩ 的上拉電阻，DONE 信號(hào)需接330 Ω 的上拉電阻。 對(duì)FPGA 的從串配置時(shí)序[7]如圖3所示。

定時(shí)刷新控制電路通過(guò)檢測(cè)FPGA 芯片的DONE 信號(hào)來(lái)決定進(jìn)入配置模式還是刷新模式。 配置和刷新的工作流程如圖4 所示。

由圖4 可知， 定時(shí)刷新控制單元在工作過(guò)程中主要完成以下4 個(gè)功能：

1)FPGA 及刷新電路上電配置。 初始化的FPGA上電后， 將PROGRAM_B 信號(hào)至少拉低300 ns 后置高，INIT_B 會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生0 到1 的跳變， 若INIT_B 為高，指示FPGA 內(nèi)部初始化完成，進(jìn)入數(shù)據(jù)下載過(guò)程，同時(shí)等待刷新電路內(nèi)部復(fù)位完成， 之后開(kāi)始正常工作，若INIT_B 為低，則一直檢測(cè)該信號(hào)，直到變?yōu)楦唠娖綖橹埂?/p>

圖2 基于SPI FLASH 的抗輻射系統(tǒng)

圖3 FPGA 串行配置時(shí)序

2)ID 檢測(cè)。 刷新單元在復(fù)位完成后，首先工作是檢測(cè)3 片F(xiàn)LASH 的ID 信息，ID 檢測(cè)有效后開(kāi)始訪問(wèn)SPI FLASH 中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)配置下載，否則鎖死在讀ID 狀態(tài)并報(bào)警。

3) 配置FPGA 芯片。 ID 檢測(cè)有效后， 開(kāi)始配置FPGA， 設(shè)置的FPGA 專(zhuān)用配置模式管腳M0～M2 為000，進(jìn)入從串模式下載，刷新電路發(fā)送CCLK 同步時(shí)鐘給FPGA 芯片， 并將3 片F(xiàn)LASH 中存儲(chǔ)的碼流信息進(jìn)行單比特校驗(yàn)， 以25 MHz 為例，V4 大概需要10 ms，V5 需要45 ms，K7 需要115 ms，來(lái)完成所有配置信息的對(duì)比，然后將表決通過(guò)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DIN 引腳配置到FPGA 芯片中，圖5 為SPI 的數(shù)據(jù)讀取操作。

4)檢測(cè)DONE 狀態(tài)。 進(jìn)入配置狀態(tài)后，電路會(huì)持續(xù)檢測(cè)DONE 信號(hào)，一旦超過(guò)預(yù)計(jì)完成配置的時(shí)間卻還未拉高，則意味著配置失敗，會(huì)自動(dòng)在該FPGA 芯片的INIT_B 端施加復(fù)位脈沖，進(jìn)行重新配置；

5)定時(shí)刷新。 當(dāng)檢測(cè)到DONE 信號(hào)變高電平后，刷新控制電路會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)刷新模式，按用戶需求加載不同型號(hào)芯片的頭部數(shù)據(jù)，先刷新一次，然后按選擇的時(shí)間周期性地刷新SPI FLASH 中的邏輯數(shù)據(jù)。

本文中的抗輻照定時(shí)刷新控制單元，最高工作時(shí)鐘為25 MHz 時(shí)， 支持Xilinx 公司Virtex4 系列的XC4VLX25，Virtex5 系列 的XC5VSX95T 和K7 系 列的XC7K325T，刷新時(shí)間間隔也有4 種可選，能夠滿足不同用戶的應(yīng)用需求。

圖4 SPI FLASH 配置和刷新工作流程

圖5 SPI FLASH 數(shù)據(jù)讀取操作

4 應(yīng)用驗(yàn)證

本文中的定時(shí)刷新控制單元旨在給出一種低成本的抗輻照解決方案，為了檢驗(yàn)本方案能否滿足設(shè)計(jì)需求，這里給出了RTL 代碼的驗(yàn)證，對(duì)定時(shí)刷新控制單元在工作過(guò)程中主要完成的4 個(gè)功能進(jìn)行重點(diǎn)驗(yàn)證，并通過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證來(lái)說(shuō)明該設(shè)計(jì)能夠通過(guò)三模冗余及定時(shí)刷新措施以提高抗單粒子翻轉(zhuǎn)， 滿足應(yīng)用需求。 下面以Xilinx 公司的Virtex5 系列的XC5VSX95T為例，進(jìn)行刷新電路的RTL 代碼的應(yīng)用驗(yàn)證。 定時(shí)刷新控制單元的驗(yàn)證方案如圖6 所示。 利用搭建好的FPGA 芯片配置環(huán)境進(jìn)行本方案中的RTL 代碼驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證模擬實(shí)現(xiàn)刷新電路工作時(shí)的各種狀態(tài)，確保設(shè)計(jì)能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

刷新電路復(fù)位管理模塊仿真如圖7 所示。 首先是上電后，刷新電路復(fù)位管理模塊的正常啟動(dòng)，通過(guò)上電后FPGA 的PROGRAM_B 和INIT_B 兩個(gè)信號(hào)共同作用來(lái)控制電路的全局復(fù)位工作。

FLASH 的ID 檢測(cè)仿真如圖8 所示。 電路的全局復(fù)位正常啟動(dòng)后，開(kāi)始檢測(cè)FLASH 的ID，讀ID 通過(guò)，則開(kāi)始訪問(wèn)FLASH 中的數(shù)據(jù)，否則一直在鎖死狀態(tài)。

3 片F(xiàn)LASH 數(shù)據(jù)單比特校驗(yàn)及FPGA 配置仿真如圖9 所示。 ID 檢測(cè)通過(guò)后， 開(kāi)始接收存儲(chǔ)在3 片SPI FLASH 中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)單比特校驗(yàn)后，將表決通過(guò)的數(shù)據(jù)配置給FPGA，通過(guò)觀察DONE 信號(hào)是否拉高來(lái)判斷配置是否正確， 超過(guò)預(yù)估時(shí)間未檢測(cè)到DONE 信號(hào)變化， 說(shuō)明配置信息錯(cuò)誤，INIT_B 信號(hào)會(huì)復(fù)位一次，重新配置FPGA。在驗(yàn)證中加入了不同形式的干擾信息，來(lái)模擬空間環(huán)境。 flash_data_state 為3 片F(xiàn)LASH 數(shù)據(jù)表決狀態(tài)信號(hào)，根據(jù)這個(gè)信號(hào)可以判斷是哪片F(xiàn)LASH 配置信息出現(xiàn)問(wèn)題。

圖6 定時(shí)刷新控制單元的驗(yàn)證方案

圖7 刷新電路復(fù)位管理模塊仿真

圖8 FLASH 的ID 檢測(cè)仿真

圖9 3 片F(xiàn)LASH 數(shù)據(jù)單比特校驗(yàn)及FPGA 配置仿真

芯片刷新過(guò)程如圖10 所示。 完成FPGA 配置后，刷新電路會(huì)執(zhí)行立即刷新操作，然后按設(shè)計(jì)的時(shí)間周期性刷新芯片。

有粒子干擾時(shí)的刷新仿真如圖11 所示。 在電路定時(shí)刷新的過(guò)程中，會(huì)受到高能粒子干擾，配置信息會(huì)有概率性地發(fā)生翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)的類(lèi)型有多種，這里給出了其中兩種， 一個(gè)是FLASH 將配置信息發(fā)送到控制單元時(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)， 一個(gè)是FLASH 存儲(chǔ)的信息發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

圖10 芯片刷新仿真驗(yàn)證

圖11 外部干擾時(shí)芯片刷新仿真驗(yàn)證

刷新電路將受干擾的配置信息進(jìn)行三模冗余，然后配置到芯片中，因?yàn)槭菃伪忍貦z驗(yàn)，可以提高抗干擾的能力，但隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)，錯(cuò)誤信息累積越來(lái)越多，會(huì)在某個(gè)時(shí)刻將校驗(yàn)通過(guò)的錯(cuò)誤信息發(fā)送到FPGA 芯片中，從而導(dǎo)致功能異常，電路失效。 本文給出的方案可以延緩這個(gè)時(shí)刻的到來(lái)，增加裝備的使用壽命。 后續(xù)的技術(shù)改進(jìn)可以把這個(gè)問(wèn)題作為研究方向，一種方法是將FPGA 斷電，重新對(duì)FLASH 燒寫(xiě)正確的碼流信息，然后上電，完成配置與刷新，其他方法有待未來(lái)進(jìn)一步研究。

針對(duì)本方案設(shè)計(jì)所有功能驗(yàn)證點(diǎn)，進(jìn)行了如圖12所示的覆蓋率收集，所有驗(yàn)證用例功能正確，覆蓋率達(dá)到100%。

上述驗(yàn)證結(jié)果表明，本文提出的基于FPGA 定時(shí)刷新控制單元的設(shè)計(jì)切實(shí)可行，所設(shè)計(jì)的功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)， 通過(guò)三模冗余與定時(shí)刷新的功能來(lái)提高抗SEU 的能力，能夠滿足應(yīng)用需求。

圖12 刷新電路功能覆蓋率收集

5 結(jié)論

本文給出了一種基于抗輻照型FPGA 芯片的定時(shí)刷新控制單元的可行性設(shè)計(jì)方案，通過(guò)采用三模冗余加定時(shí)刷新相結(jié)合的加固技術(shù)， 可以有效解決SRAM 型FPGA 在空間環(huán)境應(yīng)用中遇到的單粒子翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。 后續(xù)還有一些問(wèn)題需要解決，比如粒子翻轉(zhuǎn)過(guò)多、影響芯片功能時(shí)，可以采用對(duì)FLASH 重新燒寫(xiě)正確碼流的方法來(lái)解決這一問(wèn)題，從而更好地滿足航天領(lǐng)域?qū)馆椪招虵PGA 的使用需求。