Xilinx FPGA抗輻射設(shè)計(jì)技術(shù)研究

FPGA的可編程I／O也容易受到輻射粒子的影響產(chǎn)生SEU和SEL(目前只發(fā)現(xiàn)三態(tài)腳在發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可以變成輸出腳，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)I／O發(fā)生方向轉(zhuǎn)換(即輸入變成輸出或者輸出變成輸入)。輸入輸出腳的三倍冗余設(shè)計(jì)是一種非常有效的方法，尤其是對(duì)因?yàn)榕渲么鎯?chǔ)器發(fā)生單粒子效應(yīng)的情況下，但是這種方法需要占用三倍的I／O資源，所以設(shè)計(jì)的時(shí)候需要慎重考慮。
我們?cè)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA內(nèi)分多個(gè)區(qū)域，分別采用TMR設(shè)計(jì)，減小出錯(cuò)概率。
3．3 防止關(guān)鍵電路SET引起的抖動(dòng)
SET在時(shí)鐘電路或者其他數(shù)據(jù)、控制線(xiàn)上容易產(chǎn)生短脈沖抖動(dòng)，這種抖動(dòng)有可能會(huì)造成電路的誤觸發(fā)或者數(shù)據(jù)鎖存的錯(cuò)誤。為了減少這種短脈沖抖動(dòng)的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)可采用如下方法：
(1)內(nèi)部復(fù)位電路盡可能使用同步復(fù)位；
(2)控制線(xiàn)盡可能配合使能信號(hào)線(xiàn)使用；
(3)組合邏輯數(shù)據(jù)在鎖存時(shí)盡可能配合使能信號(hào)。
也就是說(shuō)，盡量在觸發(fā)邏輯中配合另一個(gè)使能條件，這樣就可以屏蔽由SET產(chǎn)生的大部分抖動(dòng)。
3．4 系統(tǒng)監(jiān)控與重配置(Configuration Scrubbing)
在某些設(shè)計(jì)壽命不是很長(zhǎng)的衛(wèi)星中，COTS器件的應(yīng)用已經(jīng)成為可能，在類(lèi)似的信號(hào)處理或者星務(wù)管理平臺(tái)中，采用一種金字塔形體系結(jié)構(gòu)可以大大提高平臺(tái)的可靠性，有效地抵抗各種輻射效應(yīng)引起的可恢復(fù)故障。
Actel高可靠性的反熔絲FPGA負(fù)責(zé)從非易失大容量存儲(chǔ)器中讀取Xilinx FPGA的配置數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行配置，然后在運(yùn)行期間，對(duì)最容易受輻射效應(yīng)影響的配置存儲(chǔ)器按列進(jìn)行讀操作，然后與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的列進(jìn)行局部重配置。
另外，也可以通過(guò)對(duì)回讀數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)配置存儲(chǔ)器是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。
對(duì)配置存儲(chǔ)器的回讀校驗(yàn)和重配置(或局部重配置)是一種有效的抵抗輻射效應(yīng)的方法。

Scrubbing通過(guò)部分重置刷新配置存儲(chǔ)器，通過(guò)連續(xù)重置修復(fù)SEU，Scrub速度至少十倍于最壞的SEU速度?？梢酝ㄟ^(guò)兩條途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)Scru-bbing，第一條途徑是回讀、比較、修復(fù)(closed-loop scrubbing))，第二條途徑是連續(xù)重置(open-loop scrubbing) 并不是所有的資源都可以被scrubbed的，比如SRL16s、LUT RAM、BRAM、BRAM data就不能被scrubbed，可以使用BRAM多模冗余或EDAC算法。
也并不是所有的資源都需要被scrubbed，大部分routing bits不需要scrubbed。

4 結(jié)論
文章結(jié)合實(shí)際工程實(shí)踐給出了解決常見(jiàn)的FPGA輻射失效問(wèn)題的一些方法；對(duì)FPGA在電源輸入端使用限流電阻，信號(hào)處理板采用雙機(jī)冷備份，對(duì)于單粒子翻轉(zhuǎn)和鎖定均具有相應(yīng)對(duì)策，如發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)或鎖定只對(duì)單機(jī)的部分功能有影響，都可以通過(guò)切機(jī)或重新加電消除影響。本文給出的有關(guān)大規(guī)模可配置電子器件的設(shè)計(jì)方法可以為航天電子設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。