具有64位數(shù)據(jù)檢糾錯(cuò)功能的FPGA模塊設(shè)計(jì)

摘要：星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中電子器件容易受到空間環(huán)境電磁場的輻射和重粒子的沖擊，從而導(dǎo)致器件運(yùn)行出錯(cuò)，特別是存儲器中數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要具有檢糾錯(cuò)功能的電路模塊對其進(jìn)行糾正，以免造成嚴(yán)重的后果?；跐h明碼的糾錯(cuò)原理．根據(jù)對64位數(shù)據(jù)進(jìn)行檢糾錯(cuò)處理的需要，設(shè)計(jì)一個(gè)利用8位校驗(yàn)碼，以實(shí)現(xiàn)該功能的算法邏輯，并通過FPGA實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，該模塊具備檢測2位錯(cuò)誤，糾正1位錯(cuò)誤的功能，而且也能較好地滿足實(shí)時(shí)性的要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。
關(guān)鍵詞：單粒子翻轉(zhuǎn)；漢明碼；檢錯(cuò)糾錯(cuò)現(xiàn)場可編程邏輯門電路

0 引 言
隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，作為現(xiàn)代高科技代表的航天工程，對星載計(jì)算機(jī)的依賴程度也越來越高。由于宇宙中存在著大量的帶電粒子，星載計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的電子器件會受到電磁場的輻射和重粒子的沖擊，其相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng)，其中單粒子反轉(zhuǎn)(SEU)效應(yīng)的影響尤為明顯，它將引起衛(wèi)星工作的異常或故障。SEU是由空間輻射環(huán)境導(dǎo)致的，重離子運(yùn)動徑跡周圍產(chǎn)生的電荷被靈敏電極收集，形成瞬態(tài)電流，觸發(fā)邏輯電路，導(dǎo)致邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，引起誤操作，使得星載計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)小概率錯(cuò)誤，其主要發(fā)生于存儲器件和邏輯電路中，導(dǎo)致存儲器單元的內(nèi)容發(fā)生翻轉(zhuǎn)(1變?yōu)?或O變?yōu)?)。這種錯(cuò)誤若不及時(shí)進(jìn)行糾正，將會影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的正確性，造成程序運(yùn)行不穩(wěn)定和設(shè)備狀態(tài)改變。利用糾錯(cuò)編碼進(jìn)行檢糾錯(cuò)電路設(shè)計(jì)是一種使星載計(jì)算機(jī)中SRAM具備抗SEU能力的有效方法，它能夠降低數(shù)據(jù)出錯(cuò)的概率，保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 糾錯(cuò)原理
漢明碼(Hamming Code)是由Richard Hamming于1950年提出的，屬于線性分組碼的范疇，其基本原理是將信息碼元與監(jiān)督碼元通過線性方程式聯(lián)系起來的，每一個(gè)監(jiān)督位被編在傳輸碼字的特定比特位置上。系統(tǒng)對于錯(cuò)誤的數(shù)位無論是原有信息位中的，還是附加監(jiān)督位中的都能把它分離出來。(n，k)線性分組碼的生成矩陣G和校驗(yàn)矩陣H分別為n×k和n×(n-k)維矩陣，其中校驗(yàn)矩陣H決定信息位與校驗(yàn)位的關(guān)系，在編碼和譯碼中都要用到。線性碼的最小碼距為d，即校驗(yàn)矩陣H中任意d-1列線性無關(guān)，它與碼的糾錯(cuò)能力有以下關(guān)系：
(1)檢測P個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，要求d≥e+1；
(2)糾t個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，要求d≥2t+1；
(3)糾t個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，同時(shí)檢測e(e≥t+1)個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤，要求d≥e+t+1。
作為一種典型的線性分組碼，標(biāo)準(zhǔn)漢明碼的碼長n=2m-1，監(jiān)督位數(shù)為m，信息位數(shù)為k=n-m，最小碼距d=3，因此它的糾錯(cuò)能力t=1，是一種常用糾單個(gè)位錯(cuò)誤的編碼方式。還可以根據(jù)需要對標(biāo)準(zhǔn)漢明碼進(jìn)行擴(kuò)展，增加1個(gè)校驗(yàn)位對所有位進(jìn)行監(jiān)測，就得到擴(kuò)展?jié)h明碼。1個(gè)(n，k)漢明碼經(jīng)過擴(kuò)展以后，就變成了(n+1，k)漢明碼。擴(kuò)展以后的漢明碼d=4，t=2，e=1，可以糾正單個(gè)位錯(cuò)誤，并檢測出雙位的錯(cuò)誤。對64位的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)設(shè)計(jì)，滿足信息位數(shù)大于64要求的最短的標(biāo)準(zhǔn)漢明碼為n=26-1時(shí)的(127，120)碼，它具有7個(gè)監(jiān)督校驗(yàn)位。根據(jù)漢明碼信息位刪減后其糾錯(cuò)能力較之前不會降低的特性，將該碼的信息位縮短為64位，使用了(71，64)的刪減漢明碼。這里設(shè)計(jì)了一種7個(gè)校驗(yàn)位同64個(gè)信息位的對應(yīng)計(jì)算關(guān)系如圖1所示。

圖1中DA0～DA63為信息位；CC0～CC6為監(jiān)督校驗(yàn)位。其中CCO是所有位于編號末位數(shù)為1列中信息位數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果。與之類似，CCl對應(yīng)于所有位于編號次低位數(shù)為1列中的信息位。同理，CC3～CC6分別對應(yīng)了行號各位數(shù)為1行中的信息位數(shù)據(jù)。通過這個(gè)對應(yīng)關(guān)系表，可以得出整個(gè)漢明碼的生成公式：
M=DG
式中：M為生成的(71，64)漢明碼矩陣，每個(gè)行向量是一組漢明碼；D為信息位數(shù)據(jù)矩陣行，64個(gè)信息位組成一個(gè)行向量；G成為漢明碼生成矩陣，可以根據(jù)上述的對應(yīng)計(jì)算關(guān)系得出來。
當(dāng)執(zhí)行糾錯(cuò)功能時(shí)，需要同時(shí)讀取數(shù)據(jù)位和監(jiān)督校驗(yàn)位，并且對所讀取的數(shù)據(jù)位按照校驗(yàn)位的生成算法重新進(jìn)行1次校驗(yàn)位的生成(可以用NCC0～NCC6來表示)，通過CC0～CC6和NCCO～NCC6的比對來進(jìn)行檢錯(cuò)糾錯(cuò)運(yùn)算。如果發(fā)生1位數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，則新生成的校驗(yàn)位NCC中會有若干位同原先的CC校驗(yàn)位相異，通過相異的位可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)。假設(shè)目前檢測出CCl，CC2，CC4，CC5這4個(gè)校驗(yàn)位同新生成的NCC中對應(yīng)位的異或運(yùn)算結(jié)果為1，如圖2中細(xì)箭頭所示。