抗SEU存儲器的FPGA設計實現(xiàn)

O 引言

　　隨著我國航空航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星的應用越來越廣泛。然而，太空環(huán)境復雜多變，其中存在著各種宇宙射線與高能帶電粒子，它們對運行于其中的電子器件會產(chǎn)生各種輻射效應。輻射效應對電子器件的影響不可忽視，因為輻射會使器件的性能參數(shù)發(fā)生退化，以至失效，從而影響衛(wèi)星的可靠運行，縮短衛(wèi)星的使用壽命。輻射效應對電子器件的影響很多，其中最主要的有總劑量效應(TID)和單粒子效應(S-EE)。SEE按產(chǎn)生的影響主要包括單粒子翻轉(SEU)、單粒子閂鎖(SEL)和單粒子燒毀(SEB)等三種類型，其中以SEU最為常見。在各種輻射效應當中，存儲器對SEU最為敏感，所以，對存儲器的抗輻射設計首先要考慮的就是抗SEU設計。

　　事實上，不同的空間環(huán)境和應用需求，對存儲器的數(shù)量與質量也有不同的要求。例如：在上傳指令與下載星載儀器儀表的狀態(tài)時，要求數(shù)據(jù)有很高的可靠性，此時對內存容量則沒有特別的要求;而在處理某些用途的圖像數(shù)據(jù)時，對數(shù)據(jù)可靠性的要求則相應較低，此時則需要較大的內存容量。所以在采用具體的抗SEU方法時，也要因其不同情況而做出適合的選擇。

　　本文將采用擴展?jié)h明碼編碼(Extended Hamming Code)與三模冗余(Triple Modular Redundancy，TMR)相結合的方法，并利用二者檢錯糾錯的不同特點，來對SRAM進行檢錯糾錯模式可調的抗SEU設計。這樣既可實現(xiàn)存儲器的抗SEU設計。又可滿足對存儲器使用靈活性的要求。

　　1 擴展?jié)h明碼與TMR檢錯糾錯原理

　　1.1 擴展?jié)h明碼檢錯糾錯原理

　　擴展?jié)h明碼是一種常用的能檢測兩位錯同時能糾正一位錯的編碼方法。它是在漢明碼的基礎上.在碼字上再加入一個對所有碼元都進行校驗的校驗位而得到的，故稱為擴展?jié)h明碼。

　　擴展?jié)h明碼是線性分組碼的一種，其信息位和監(jiān)督位的關聯(lián)可由一組線性代數(shù)方程組表示。(n，k)線性分組碼的編碼就是去建立由r(其中r=n-k)個生成冗余位的方程式構成的方程組，再由此方程組轉化為kxn的生成矩陣G。編碼時，可將信息位向量(k維)乘以生成矩陣G，從而得到碼字向量(n維)，如下式所示：

　　將式(1)表示的方程組作移位變換，可以得到式(2)，通常稱H為監(jiān)督矩陣。

　　解碼時，通過監(jiān)督矩陣H與讀出的碼字向量C的乘積結果可判斷該碼字是否出錯。若讀出的碼字向量C乘上監(jiān)督矩陣H后得到一個零向量，則表示沒有出錯;否則表示碼字在存儲之后受到了單粒子效應的影響，有錯誤發(fā)生。通常將監(jiān)督矩陣與讀出的碼字向量C的乘積記作S，稱為校驗子。當碼字中某一位發(fā)生錯誤時，就會得到唯一的S向量，該向量只與碼字出錯的位置有關，而與碼字C無關。通過S向量可以定位出錯的位置，并對出錯數(shù)據(jù)進行改正。

　　作為線性分組碼的一種，擴展?jié)h明碼的分組編碼總長為2r位，信息位長度為2r-1-r位，即(2r，2r-l-r)擴展?jié)h明碼。本設計采用了16位RAM存儲器，所以對應使用(22，16)擴展?jié)h明碼。

　　1.2 TMR檢錯糾錯原理

　　TMR是一種常見的硬件冗余技術。它的原理是在相同的一組硬件單元上同時發(fā)生錯誤的概率要比在單一硬件單元上發(fā)生錯誤的概率小。它的基本方法是將所需容錯的硬件單元增加到三倍或更多，并將各個單元的輸出連接到一個表決器上，由表決器選擇所有硬件單元中的絕大多數(shù)輸出值作為整體的輸出值。圖1所示為三模冗余系統(tǒng)結構圖。

　　圖1中，A1、A2、A3三個模塊同時執(zhí)行同樣的操作，并將其輸出送給表決器，然后由表決器對接收到的三路數(shù)據(jù)進行比較。如果三個模塊同時給出三個相同的輸出，則表決器輸出任何一路作為正確輸出。如果其中任一模塊出錯，其輸出不同于其它兩個模塊，則表決器依然輸出正確結果。如果有兩個模塊同時出錯，且變成相同的狀態(tài)，表決器則會誤認為這是正確的結果并輸出，不過這種情況的出現(xiàn)雖然可能，但概率非常小。當然，如果這兩個模塊同時出錯，但出錯狀態(tài)不同，則表決器此時將無法做出選擇，但可以產(chǎn)生中斷。

　　2 內存配置方案

　　通過上面對擴展?jié)h明碼與TMR兩種檢錯糾錯方式的介紹，可以發(fā)現(xiàn)其二者各有優(yōu)勢，分別適用于不同的環(huán)境條件和應用需求。但是，這兩種方案對于內存配置的要求是不同的，所以在對整個電路的設計之前，首先要對內存作如下配置。

　　本設計中使用了3片16bit的SRAM。并分別采用(22，16)漢明碼和TMR兩種檢錯糾錯方法。對于(22，16)，一般采用(16+8)位的存儲器來實現(xiàn)，而TMR，則采用16位的存儲器來實現(xiàn)。若要支持這兩種方法，則必須首先為存儲器設計一種特別的內存配置方式。本設計采用如圖2所示的內存配置方案。

　　對于圖2所示的內存配置方案，當系統(tǒng)工作在TMR模式時，所有的片選信號都被相同的信號驅動，這樣就構成了TMR需要的3個16位內存空間;而當系統(tǒng)工作在漢明碼模式時，它們則ah、al、bh為一組，bl、ch、cl為另一組，并分別被相同的片選信號驅動，從而構成了兩個獨立的(16+8)位的內存空間。本設計采用了3片128 K×16bit的SRAM，如果設置每片SRAM的低4K×16bit空間工作在TMR模式，則從圖中可以看出，該SRAM芯片組中還有兩個124 K×(16+8) bit的空間可以工作于擴展?jié)h明碼模式。

　　3 電路設計

　　基于上述內存配置方案，本文設計了如圖3所示的抗SEU存儲器電路。該電路包含了4個功能模塊。