基于FPGA的星載計算機自檢EDAC電路設(shè)計

SEU造成的RAM單元1比特錯誤如果不定時清除，就會產(chǎn)生累積，使計算機由此處理的結(jié) 果產(chǎn)生出2比特甚至更多比特錯誤，這種情況下將無法采用EDAC功能進行數(shù)據(jù)糾錯，導(dǎo)致系 統(tǒng)錯誤操作甚至任務(wù)失敗。因此定時對RAM存儲單元進行更新是必要的，但在傳統(tǒng)EDAC電路 設(shè)計下，對RAM存儲單元的更新只能由計算機的CPU（單片機）進行，其操作流程如下：

（1） 從存儲單元讀出數(shù)據(jù)；

（2） 將讀出數(shù)據(jù)重寫入；

（3） 重復(fù)（1）～（2），直至全部單元更新完。

以航天計算機常用的80C32單片機為例，CPU對外部存儲單元的讀或?qū)懖僮餍枰?個指令 周期，讀完再寫入需要4個指令周期，每個指令周期包含12個時鐘。假設(shè)CPU時鐘為20MHz， 更新1M個RAM存儲單元需要的CPU時間為：4×12×1M 20MHz = 2.4s。

對于星上非常緊張的CPU資源來說，這是難以接受的，大大增加了星上CPU軟件的設(shè)計難 度。這種方法的另一個大的缺點是無法獲得數(shù)據(jù)錯誤信息，因為CPU直接讀取的是糾錯后的 數(shù)據(jù)，所以無法對星上SEU造成RAM單元出錯的概率和錯誤模式進行統(tǒng)計。

3 基于FPGA的自檢EDAC設(shè)計

3.1 功能分析

由于FPGA的內(nèi)部大量的邏輯資源，使EDAC電路設(shè)計可以實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。在星載計 算機中，為了提高效率并節(jié)省CPU資源，一個理想的EDAC電路設(shè)計，應(yīng)具有以下三部分功能：

（1）數(shù)據(jù)讀寫功能。在CPU寫操作時，對原始數(shù)據(jù)進行編碼，生成校驗碼，并將原始數(shù) 據(jù)和校驗碼存儲；在CPU讀操作時，從存儲器中取出原始數(shù)據(jù)和校驗碼，進行計算，如有錯 誤，將錯誤糾正后輸出，如無錯誤，直接將原始數(shù)據(jù)輸出。

（2）自檢、自糾錯功能。在CPU控制要求下，可自動對所有EDAC保護的RAM存儲區(qū)進行 順序讀取和校驗，檢測出錯誤數(shù)據(jù)或校驗碼。在自檢狀態(tài)下，如果由CPU配置為自糾錯狀態(tài)， 當(dāng)某一RAM單元檢測出單比特錯誤后，自動將正確數(shù)據(jù)和校驗碼重新寫入該RAM單元。該項功 能的實施，基本上可保證SEU對計算機RAM區(qū)造成的影響及時得到修復(fù)。

（3）錯誤信息處理功能。在CPU讀操作或者自檢狀態(tài)下，通過輸出錯誤標(biāo)志信號，對CPU 產(chǎn)生中斷，對產(chǎn)生的錯誤進行相應(yīng)處理。在CPU讀操作或者自檢狀態(tài)下，如果檢測出錯誤， 將出錯的地址、原始數(shù)據(jù)和校驗碼進行暫存，可由CPU讀取，進行相應(yīng)處理。

3.2 設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)以上分析，筆者設(shè)計了如圖2所示的自檢EDAC電路，EDAC的功能主要由FPGA來實現(xiàn)。 到目前為止，具有航天等級的FPGA芯片已經(jīng)具有內(nèi)置的CPU硬核以及高達2.5Mbit的RAM資源， 因此該設(shè)計中的CPU和RAM模塊均可以是FPGA內(nèi)部資源，當(dāng)內(nèi)部資源無法滿足設(shè)計要求時，也 可以采用外置CPU芯片或外置RAM芯片。