利用FPGA新特性實現(xiàn)高可靠性汽車系統(tǒng)設(shè)計

目前，汽車中使用的復(fù)雜電子系統(tǒng)越來越多，而汽車系統(tǒng)的任何故障都會置乘客于險境，這就要求設(shè)計出具有“高度可靠性”的系統(tǒng)。同時，由于FPGA能夠集成和實現(xiàn)復(fù)雜的功能，因而系統(tǒng)設(shè)計人員往往傾向于在這些系統(tǒng)中采用 FPGA。不過，將FPGA用于汽車系統(tǒng)時需要關(guān)注兩個主要問題：確保用于FPGA初始化的配置代碼正確無誤；防止器件工作時SRAM的內(nèi)容遭到損壞。只有這些問題得到徹底解決，F(xiàn)PGA才能成為高度可靠汽車系統(tǒng)的組成部分。幸運的是，目前通過AEC-Q100認證的FPGA已加入先進的特性，能夠有效解決上述問題。本文介紹的幾個方案可用于解決保護初始化配置和防止?jié)撛诘腟RAM內(nèi)容損壞的問題。

保護FPGA的配置

隨著系統(tǒng)上電，基于SRAM的FPGA將從外部源加載其配置。引導(dǎo)源可以是存儲器件，如串行EEPROM或Flash ，也可以是智能器件，如微控制器。針對初始化位流，所有的FPGA都具有某種類型的循環(huán)冗余校驗(CRC)，在啟動結(jié)束時進行測試，檢驗傳送是否完整。如果在位流中檢測到一個差錯，F(xiàn)PGA將無法初始化。這可以防止系統(tǒng)產(chǎn)生錯誤的(也可能是危險的)操作。大多數(shù)的FPGA將通過對一個外部引腳置位，來告知系統(tǒng)控制器初始化失敗，請求另一個初始化序列，以期取得配置成功。在遇到以下幾種情況時，會發(fā)生初始化位流的損壞情況：

* 引導(dǎo)存儲器的硬件故障

* 存儲器內(nèi)容保存的問題

* 蓄意篡改

* 存儲器內(nèi)容被擦除

* 電氣噪聲

利用FPGA設(shè)計高可靠性的汽車系統(tǒng)時，為了正確處理這些情況，必須遵循以下四個基本步驟：

第一步是使用具有片上閃存的非易失性SRAM FPGA。這改變了從外部存儲器引導(dǎo)配置載入FPGA內(nèi)部的方式。采用將引導(dǎo)源移入同一塊芯片的方法消除了許多常見的初始化失敗模式。這種類型的集成設(shè)計還提升了初始化速度，可在即時啟動系統(tǒng)中使用這種FPGA。

第二步是添加一個可靠的外部自行引導(dǎo)器件(圖1) 。FPGA的一個主要特點是能夠現(xiàn)場重復(fù)編程。對汽車系統(tǒng)而言，這一特性允許下載新的程序，用于授權(quán)的現(xiàn)場更新，修復(fù)設(shè)計錯誤或添加額外的功能。不過，在傳輸和對存儲器編程期間，數(shù)據(jù)流可能被損壞，而且損壞的數(shù)據(jù)流會阻止正確的FPGA初始化。為了應(yīng)對更新過程中的損壞，在外部存儲器件中已復(fù)制了初始化代碼，稱為“golden”的廠家備份。即便有任何問題，存儲在內(nèi)部存儲器的配置代碼都可以使該系統(tǒng)得到恢復(fù)。通過添加第二個引導(dǎo)器件，就能夠保證廠家備份，或至少可以具有“間接恢復(fù)”系統(tǒng)的功能。

圖1 FPGA雙引導(dǎo)系統(tǒng)

第三步是保護存儲在外部存儲器件中的位流備份，采用位流加密來保護引導(dǎo)配置代碼(圖2)。許多車用FPGA系列支持128位AES位流加密，以防止逆向工程和未經(jīng)授權(quán)地對設(shè)計進行更改。在外部引導(dǎo)器件中存儲著加密的配置代碼，可以在初始化時譯碼，然后再移入SRAM單元。同樣的加密機制也可以用來將一個新的配置代碼載入內(nèi)部閃存。

圖2 外部引導(dǎo)的AEC譯碼或Flash編程位流。

第四個也是最后一個步驟是“鎖定”FPGA，以防止未經(jīng)許可進入存儲配置。用非易失性FPGA內(nèi)部的可編程寄存器控制對內(nèi)部配置存儲器的訪問。可能的組合情況如下：1)解鎖。 2)可解密鎖定－通過編程接口提供的128位密鑰能夠使器件解鎖。3)永久鎖定－器件被永久鎖定。

為了進一步加強器件的安全性，可用一次性可編程(OTP)模式。一旦器件設(shè)置成這個模式，就不可能擦除閃存的內(nèi)容或?qū)ζ骷俅尉幊獭?

選擇車用級的通過AEC - Q100認證的非易失性FPGA時，審查制造商的非易失閃存的耐久性和數(shù)據(jù)保存指標是很重要的，這將確保車輛運行時和處于貯藏溫度時FPGA都能正確保存其存儲器內(nèi)容。例如，LatticeXP2是唯一非易失性的通過AEC - Q100認證的SRAM /Flash FPGA，它能滿足所有這些系統(tǒng)的要求。LatticeXP2的片上閃存允許大范圍地對整個器件進行存儲器測試，確保即使器件在最高溫度下連續(xù)工作，至少10年內(nèi)存儲器的內(nèi)容都不會丟失。