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(yùn)的是，目前通過AEC-Q100認(rèn)證的FPGA已加入先進(jìn)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(hù)初始化配置和防止?jié)撛诘腟RAM內(nèi)容損壞的問題。

保護(hù)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(jìn)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(hù)存儲在外部存儲器件中的位流備份，采用位流加密來保護(hù)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(jìn)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(jī)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(jìn)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?？赡艿慕M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(jìn)一步加強(qiáng)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?/p>

選擇車用級的通過AEC - Q100認(rèn)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(biāo)是很重要的，這將確保車輛運(yùn)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(rèn)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(jìn)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。

SRAM軟錯誤損壞檢測(SED)

來自宇宙射線的中子和封裝材料中的帶電α粒子的輻射會造成軟錯誤，它會改變存儲單元的存儲內(nèi)容。這種現(xiàn)象首先成為DRAM中的一個問題，要求能對高可靠性應(yīng)用中的大容量存儲系統(tǒng)進(jìn)行錯誤檢測和糾錯。由于器件的尺寸不斷縮小，對某些系統(tǒng)而言，SRAM中的軟錯誤概率已相當(dāng)大。

用于汽車應(yīng)用的高性能FPGA將邏輯配置數(shù)據(jù)存儲在SRAM單元。由于FPGA中SRAM單元數(shù)量和密度的增加，軟錯誤改變系統(tǒng)可編程邏輯行為的概率也隨之增加。設(shè)計者已經(jīng)采取了各種辦法來解決該問題，其中大部分涉及用戶用于設(shè)計的知識產(chǎn)權(quán)(IP)核。雖然這種方法提供了一個解決方案，但它也占用了寶貴的可編程資源，并可能會影響性能。然而，這些缺陷是可以避免的。例如，LatticeXP2 FPGA內(nèi)有用硬件實現(xiàn)的軟錯誤檢測器，它不會影響系統(tǒng)性能或器件的熱耗散。

在這些非易失性FPGA中的SED硬件有一個訪問FPGA SRAM配置存儲器的接口，還有SED控制器電路和一個存儲當(dāng)前位流CRC的32位寄存器(圖3)。SED功能需要使用幾個I/O引腳，要占用4個專用的輸入引腳和4個專用的輸出引腳。這些引腳用于使能和啟動SED檢測，還能指明SED的工作狀態(tài)。

圖3、LatticeXP2 FPGA具有SRAM軟錯誤監(jiān)測功能

SED工作期間，控制電路從FPGA的SRAM配置存儲器讀取串行數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)，并計算CRC。然后，計算出的CRC與預(yù)期的存儲在32位寄存器中的CRC進(jìn)行比較。如果這兩個CRC值不匹配，說明配置存儲器中有差錯，并設(shè)置一個外部信號為高電平，指明有差錯。對應(yīng)出錯信號，用戶可以有幾種選擇：忽略這個差錯;使用外部處理器記錄這個差錯;或從原來的引導(dǎo)器件重新載入SRAM配置。

LatticeXP2 FPGA能夠滿足所有這些系統(tǒng)的要求。其片上閃存允許統(tǒng)一的系統(tǒng)測試，保證器件即使在最高溫度下連續(xù)工作，最少10年不會引起存儲內(nèi)容的丟失或產(chǎn)生系統(tǒng)故障。此外，雙引導(dǎo)功能和硬件實現(xiàn)的SED檢測功能對SRAM內(nèi)容損壞提供了安全保證，不會影響器件性能或用戶邏輯的運(yùn)行。

應(yīng)用上述四種配置保護(hù)技術(shù)的FPGA設(shè)計具有高度可靠的啟動和初始化功能，可以保護(hù)更新，阻止下載、刪除或修改初始化配置的企圖。此外，整合SED管理邏輯的設(shè)計還增加了保護(hù)措施，防止由帶電粒子導(dǎo)致的改變運(yùn)行配置的情況。將啟動和SED保護(hù)進(jìn)行整合的方法使汽車系統(tǒng)設(shè)計人員能夠構(gòu)建完整可靠的FPGA設(shè)計，同時不必?fù)?dān)心配置被蓄意篡改或環(huán)境對器件造成的損壞。