（测试计量技术及仪器专业论文）基于动态可重构fpga的时序电路在线故障检测与容错设计.pdf

“”j ：i y ， 力 -，f 勺 澧 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：2 幽年6 月；e l 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：亟啦导师签名：j 蜥 日期：沙p 年( 月、日 h，t， 丫 i 丫 t 摘要 摘要 s r a m 型f p g a 密度高、性能好、成本小和可编程等一系列的优点使它越来 越博得空间应用设计者的青睐。特别它的可编程特性，在远程的空间应用中发挥 了重要作用，用户可以根据需要在任何时刻短时间内进行重编程，这样就为在轨 修改设计提供了方便，甚至可以用来远程容错系统，大大节约容错成本。但是他 的优点从某种角度又是缺点，由于它的易挥发，在恶劣环境下很容易受到干扰， 造成电路功能的错误。 s r a m 型f p g a 的电路系统都由可定制逻辑单元s r a m 实现，s r a m 型f p g a 在宇宙辐射环境下受空间粒子干扰产生s e u 。s e u 在组合电路产生的瞬态脉冲由 于实现逻辑和布线的s r a m 单元发生位翻转被转化为永久效应，时序电路中表现 为可以在下次采样消除的位元变换。一个高效的s e u 免疫电路既能保证组合逻辑 中出现的非正常瞬态脉冲不被存储起来，又能保证存储单元绝不会有位元变换出 现。已有的缓解s e u 的方法大多基于时间或硬件冗余，或两者相结合的方式。全 时间冗余利用瞬态脉冲的特性，在三个不同的时刻锁存组合逻辑的输出( 三个时 刻相差d ) 由判决器选择正确的输出。全硬件冗余就是通常所用的t m r ，面积功 耗大。这种方法的面积消耗来自附加采样锁存器的输出和由于影响性能的瞬态脉 冲成倍增长的持续期。 s e u 的行为特性，导致用于a s i c 系统的标准容错方法不可靠，例如检错纠错 码。根据s e u 在组合逻辑和时序逻辑中的不同的故障表征，本论文提出了一种新 的两级式硬件冗余技术并结合f p g a 的动态重配置特性，对基于s r a m 型f p g a 时 序系统进行在线测试和容错的模块级架构：整个架构保证不中断系统运行的情况 下实现了故障掩盖、故障检测、故障定位和故障修复的功能。 本论文从该研究的背景意义入手，详细讨论了s r a m 型f p g a 特殊结构及其 实现逻辑在干扰环境下的表征，接着回顾了以往的检测技术容错技术，然后提出 本论文的设计思想，深入阐述了整个设计的结构和流程，最后给出仿真和测试的 结果，证明了设计的正确性。 关键词：在线检测和容错，冗余技术，动态重配置，故障掩盖，故障定位 、， 丫 接 a b s t r a c t f p g a sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ev a l u a b l ef o rs p a c e c r a f te l e c t r o n i cd e s i g n e r s b e c a u s eo ft h e i rl l i 曲d e n s i t y , h i g hp e r f o r m a n c e ，r e d u c e dd e v e l o p m e n t c o s ta n d r e - p r o g r a m m a b i l i t y i np a r t i c u l a r ，s r a m - b a s e df p g a sa r ev e r yv a l u a b l ef o rr e m o t e m i s s i o n sb e c a u s eo ft h ep o s s i b i l i t yo fb e i n gr e p r o g r a m m e db y t h eu s e ra sm a n yt i m e sa s n e c e s s a r yi nav e r ys h o r tp e r i o d i ti sc o n v e n i e n tf o rc h a n g i n gd e s i g no n - o r b i t ，e v e ni t c a nb ea p p l i e df o rr e m o t et o l e r a n c ea sr e s u l to fr e d u c i n gc o s t e v e r yc o i nh a st w os i d e s ， t h i sn o n p e r m a n e n tc h a r a c t e r i s t i co ff p g a si sp r o n et ob ei n t e r f e r e dt oc a u s e sp r o b l e m s w i me r r o l 瞎i nt h es y s t e m c i r c u i t r i e sb a s e do ns r a mf p g aa r ci m p l e m e n t e db yc u s t o m i z a b l el o g i cc e l l s h lo o s n l i cr a d i a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h a ts r a mf p g ai sh i tb yp a r t i c l e sc r e a t e ss e u ， t r a n s i e n tp u l s eo c c u r si nt h ec o m b i n a t i o n a ll o g i cc a u s e db ys e u t u r nt ob eap e r m a n e n t e f f e c t b e c a u s et h es r a mc e l lt h a ti m p l e m e n t st h a tl o 西ca n dr o u t i n gh a sf l i p p e d w h e n s e l lo c c u r si nt h es e q u e n t i a ll o g i c ，i ti sab i tf l i pw h i c hc a l lb ec o r r e c t e di nt h en e x t s a m p l i n g ah i g he f f i c i e n ts e ui m m u n ec i r c u i te i t h e r c a nk e e pt h et r a n s i e n tp u l s e o c c u r r i n gi nt h ec o m b i n a t i o n a ll o g i cf r o ms t o r i n go rf o r b i db i tf l i pa p p e a r i n gi ns t o r a g e c e l l m o s to fe x i s t i n gm e t h o d sm i t i g a t i n gs e ua r eb a s e do nt i m e o rh a r d w a r e r e d u n d a n c y , o rc o m b i n eb o t h o ft h e m f u l l t i m er e d u n d a n c ym a k eu s eo ft h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s i e n tp u l s e ，l a t ht h eo u t p u to fc o m b i n a t i o n a ll o g i ca tt h r e e d i f f e r e n tt i m e sw h i c hs e p a r a t e l yd e l a yd ，t h e nt h er i g h to u t p u ti sc h o o s eb y v o t e r af u l l h a r d w a r er e d u n d a n c y ，t h ew e l lk n o w nt m ra p p r o a c h ，h a sl a r g ea r e ao v e r h e a dw h i c h c o m e sf r o ma d d i t i o n a ls a m p l i n ga n dt h ed o u b l i n gt h ed u r a t i o no ft h et r a n s i e n tp u l s e w h i c ha f f e c t sp e r f o r m a n c e b e h a v i o r a lc h a r a c t e r i s t i co fs e ur e s u l ts t a n d a r dt o l e r a n c ea p p r o a c h e sa p p l i e df o r a s i cs y s t e ma r en o tr e l i a b l e ，s u c ha se r r o rd e t e c t i o na n de r r o rc o r r e c t i n gc o d e a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tf a u l tc h a r a c t e r i s t i cw h e ns e u o c c u r si nc o m b i n a t i o n a ll o g i c a n ds e q u e n t i a ll o g i c ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e dan e wh i g hl e v e la r c h i t e c t u r ef o ro n - l i n e d e t e c t i n ga n dc o r r e c t i n gs y s t e mb a s e do ns r a mf p g aw h i c hc o m b i n e dr e d u n d a n c y t e c h n i q u ea n dd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ff p g a f a u l tm a s k i n g , f a u l t i i k 1 r - t h es t u d y , d i c u s st h es p e c i a l w h e nf p g ai nr a d i a t i o n e n v i r o n m e mi nd e t a i l ，t h e nr e v i e w e de x i s t i n gd e c t e i o nt e c h n i q u ea n df a u l t - t o l e r a n t t e c h n i q u e , a n dt h e np u tf o r w a r dt h ed e s i g ni d e ao ft h i sd i s s e r t a t i o n , d e e p l ye l a b o r a t e d e s i g ns t r u c t u r ea n dd e s i g nf l o w ，a tl a s te x h i b i tt h er e s u l to fe m u l a t i o na n dt e s tt op r o v e t h ec o i t e c t n e s so fd e s i g n k e y w o r d s ：o n - l i n e d e c t e t i n g a n d f a u l t - t o l e r a n c e , r e d u n d a n tt e c h n i q u e , d y n a m i c r e c o n f i g u r a t i o n ，f a u l tt a s k i n g ，f a u l tl o c a t i o n ，m o d u l a rr e d u n d a n c y j 。t 工 b ， 蕊 电子科技大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题意义及来源二1 1 2 相关技术的发展和研究现状2 1 3 课题的主要工作3 1 4 论文结构及内容安排4 第二章基于s r a m 的f p g a 架构及单粒子翻转效应6 2 1f p g a 架构6 2 1 1 s 融型f p g a 6 2 1 2 v i r t e xf p g a s 7 2 2 单粒子翻转效应7 2 2 1 集成电路里的辐射效应7 2 2 2 单粒子翻转下的s r a m 型f p g a 。8 第三章基于模块的s e u 故障检测和容错技术1 0 3 1 故障检测技术1 0 3 1 1 故障检测和纠正编码1 0 3 1 2 冗余技术1 0 3 2 容错技术一1 4 3 2 1 静态重配置1 5 3 2 2 动态部分重配置d p r 15 3 2 3 重配置策略16 第四章基于动态重构f p g a 时序电路的在线检测设计和容错设计1 8 4 1 总体方案设计一1 8 4 1 1 方案原理。1 8 4 1 2 方案架构18 4 2 方案和实现平台1 9 4 2 1 载体芯片。1 9 4 2 2 开发工具19 4 2 3 s o p c 配置环境2 l i v k，留。 目录 4 3 冗余时序电路。2 3 4 3 1 电路冗余结构2 3 4 3 2 部分动态重构区域和静态区域2 5 4 3 3 总线宏2 5 4 3 4 行为级描述方法2 7 4 4 嵌入式模块2 8 4 4 1 总体结构j 2 8 4 4 2 硬件平台2 8 4 4 3 软件设计一3 7 4 5 设计流程4 7 4 5 1 术语和项目路径结构4 7 4 5 2 h d l 设计描述和综合。4 8 4 5 3 初始用户约束文件的准备5 0 4 5 4 初始预算阶段5 0 4 5 5 实现5 0 第五章功能验证及测试5 3 5 1 被测时序电路5 3 5 2 验证平台5 4 5 3 功能仿真5 6 5 3 1 状态机功能仿真5 6 5 3 2 用户口功能仿真5 7 5 4 实时测试5 9 5 4 1c h i p s e o p ep r o 5 9 5 4 2 系统正常实测6 0 5 4 3 系统故障实测。j 6 2 第六章总结与展望6 6 致谢6 8 参考文献6 9 攻硕期间取得的研究成果7 1 v ；， 工 _ 。， 誓 空间辐射环境对航天器的电子设备有严重影响，其中单粒子事件效应( s e e ) 首当其冲，造成的潜在后果包括信息的丢失和功能故障。s e e 发生于当充电粒子 撞击硅，足够能量被转移，引发系统出错。s e e 可能导致毁灭性的或暂态的故障， 瞬态故障，又叫单粒子翻转( s e u ) ，会导致存储元件的位翻转。 随著半导体制造工艺的演进，器件尺寸大幅缩小，功耗降低，速度增加，然 而牺牲的是噪声容限的减小，进而影响了可靠性。现代制造工艺已发展到了难以 使集成电路避免辐射效应的阶段，更多的致命问题都与s e u 有关。一些实验指出 大气中存在的中子是制造s e e 的罪魁祸首，研究证明存储单元中晶体管沟道长度 小于0 2 5 u r n 和组合逻辑中晶体管沟道长度小于0 1 3 u m 在宇宙环境和大气层中都 可能遭受干扰。现代集成电路里的c m o s ，工艺是9 0 n m ，甚至更小。被认为如银 行服务器、电信服务器一样关键的地面应用和航天电子设备越来越多的考虑使用 容错技术，以确保可靠性。 容错技术的发展与目标器件牢牢的联系在一起，它要求详细分析干扰在相关 架构上产生的效应。对每一类型电路，有一系列最适合的方法可被应用。近几年 来，集成电路产业涌现了一系列越来越复杂的架构，包括a s i c 、f p g a 、s o c ， 性能提升，逻辑密度增加，成本降低，广泛应用于各种场合，尤其是，f p g a 可重 构特性的开发，大大改进了系统设计，缩短开发周期，增加设计灵活性【l 】。因此 f p g a 也越来越多的被航天器设计者采用。f p g a 有很多类型的用户化，最流行的 之一是使用s r a m 存储单元用户化f p g a ，能根据需要在短时间内多次现场用户 化f p g a 。一些远程任务可能在发射后需要纠错或升级，为了节约成本，希望系统 能够进行在轨改变设计，基于s r a m 的f p g a 在这方面就很有价值。 电子科技大学硕士学位论文 基于s r a m 的f p g a 在空间应用中的优越性、可编程逻辑日益增加的复杂性 和些特殊架构的出现，促使针对可编程架构的s e u 缓解新技术的需求增加。 1 2 相关技术的发展和研究现状 已被沿用多年的用于航天器的抗s e u 干扰方案，主要是把粒子通量降到很低 水平，目前逐渐被遗用，但仍未消失。在过去，这类方案已足够避免辐射效应造 成的故障。然而，随着制造工艺的发展，电子电路变得越来越复杂，曾经可以被 忽略的带电粒子现在却可能制造电路故障。因此，新技术的研究已是刻不容缓。 在过去几年里，针对数字电路及基于可编程逻辑实现的数字电路，已提出多 种抗s e u 干扰方案，被归类如下： 基于制造工艺技术，列如： 外延c m o s 工艺 先进工艺，如，绝缘硅片 基于设计的技术，例如 检测技术 -硬件冗余 一时序冗余 -故障检测编码 _ 自校验技术 缓解技术 一三模冗余 _ 带判决的多模冗余 _ 散障检测和校正编码 -加固的存储单元 恢复技术( 仅用于可编程逻辑) 一重配置 部分配置 _ 重布线设计 基于制造工艺技术又叫工艺的技术，例如外延c m o s 工艺和绝缘硅，可以减 少一些可接受层级的辐射效应，像总剂量效应和单粒子锁定等，但不能完全消除 单粒子翻转效应。基于制造工艺技术造价相对昂贵，因此很少被设计采用，特别 2 簟 - 一 f 纽 第一章绪论 很少应用于批量生成。以摩托罗拉和m m 的绝缘硅微处理器为实验板，置于重粒 一 子和质子的环境下，测试单粒子翻转效应，再以相似的基板器件为实验板做测试， 比较两个测试结果，结果表明绝缘硅微处理器的线性能量阀值和块外延微处理器 的是几乎一样，这就表明绝缘硅技术的出现并没带来了s e u 敏感度多大改进。虽 然线性能量阀值并没改变，但是绝缘硅处理器横截面的数量级比起相应的快外延 微处理器小的多，就会使其在宇宙环境中翻转的可能性小的多。结果证明只有适 度的改善s e u 敏感度才可被认可为主流的集成电路，因此基于设计的抗s e u 技术 势在必行。 基于设计的技术又叫做架构技术，因其能被应用于不同的设计级别而不须在 制造工艺中做改变的特点，被高度接受。研究证明，只有温和改善s e u 特性的使 用绝缘硅技术的集成电路才被认可为主流，因此基于设计的技术适合于缓解s e u 干扰，它们可用于只检测系统中翻转的存在，除了检测之外也可纠正故障。基于 设计的所有基于设计的技术都是以冗余思想为核心，冗余即是提供备份的元件( 硬 件冗余) 或额外的执行时间或不同的数据采样时刻( 时间冗余) 。通常的技术是将 这些不同类型的冗余结合起来。 硬件冗余主要基于逻辑冗余，特点就是有备份的元件或额外路径，保持系统 即使在某一部分发生故障后仍能继续正常运行。e d a c 也可被看做是硬件冗余， 因为它利用生成冗余的位检测来纠正故障。如果只考虑存储器的s e u 问题，可应 用加固的存储单元来避免存储器的故障，它也是一种硬件冗余。 近年来，业界提出用于像基于s r a mf p g a 一类可编程逻辑元件的恢复技术， 这种技术的核心思想是当电路被干扰后恢复电路原先的编程信息。例如重配置、 部分重配置和重布线，它们可以再短时间内清除可编程矩阵中的翻转。这类型的 技术通常被用来避免故障累积【2 】。 要结合到快速的转回时间、低成本、高性能和高可靠性，找到一种最合适的 抗s e u 解决方案越来越是一个挑战。一系列有效的抗s e u 技术必须能处理组合逻 辑里的单粒子瞬态故障( s e t ) 和存储单元里的s e u s 。这样，瞬态故障才不会存 储进存储单元，存储单元里的位翻转才不会发生或可被立即纠正。每一种方法既 有优点又有缺点，要根据实际情况，折中考虑面积、性能、功耗、容错效率。 1 3 课题的主要工作 现代电子系统越来越多的用到现场可编程门阵列器件( f p g a ) ，特别是具有 3 气；么j 电子科技大学硕士学位论文 无限次可充配置特性的基于8 r a m 的f p g a 。本课题的主要目的就是研究在基于 s r a mf p g a 的平台上所实现系统的在线检测和容错，主要工作归结如下： ( 1 ) 深入研究基于s r a m 的f p g a 的架构；剖析其根据编程信息如何利用自身 元件构架用户所需电路，及电路受辐射干扰时，实际是怎样干扰实现电路的元件。 ( 2 ) 了解国内外相关课题的研究和已提出的先进技术；着重学习了基于模块抗 干扰技术的核心思想，冗余技术；和应用于可编程逻辑的独特容错方法，重配置 技术。 ( 3 ) 根据基于s r a m 的f p g a 实现系统的特点，参考当前检测和容错技术，提 出冗余技术和重构技术相结合且不中断系统正常功能基于模块的检测容错方案。 ( 4 ) 根据课题研究目的和验证方案实例所需资源，选取x i n l i n xv i t e x 4 系列中 x e 4 v f x l 0 6 6 8 型号f p g a 为实例系统载体；由于采用f p g a 内嵌p o w e r p c 4 0 5 核为 控制单元，确定实例系统的开发架构为s o p c 架构；对系统进行硬件，可重构硬 件和软件划分。 ( 5 ) 在i s e 开发环境下，构建以状态机为核心的时序系统作为方案实现对象； 利用嵌入式开发套件e d k 搭建以p o w e r p c 为核心的片上硬件系统，并编写软件控 制c 代码；在p l a n a h e a d 平台上完成部分重配置的实现。 1 4 论文结构及内容安排 第一章概述了现代工艺的发展和s r a m 型f p g a 的广泛引用，引出针对s r a m 型 f p g a 的s e u 缓解技术的迫切性，即本课题的意义来源；描述了国内外容错研究的 现状和发展；总结了作者的工作和论文的结构安排。 第二章剖析了基于s r a m 的f p g a 的结构，具体介绍了v i r t e x 系列f p g a 结构； 详细阐述了s r a m 型f p g a 在干扰环境下的故障状态。 第三章介绍了现有的基于模块的抗s e u 故障检测技术和容错方法。检测技术 主要介绍编码检测和冗余检测两大类，着重介绍了各种冗余技术；容错技术则侧 重用主要针对具有可编程特性的f p g a 的容错技术，即通过重配置容错，详细介绍 了两种不同重配置的状态和重配置策略。 第四章为在线监测容错时序系统的设计和实现。提出了设计的总体方案，介 绍了开发和实现的平台；将整个设计分为冗余时序系统和嵌入式模块，分别详细 阐述硬件设计架构和软件设计流程；细述了了基于重配置设计流程的设计过程。 第五章为整个设计的验证和测试。首先列出了硬件设计部分的功能仿真，接着 4 o 蚝 介绍了 第 望了相 5 ，；。么 电子科技大学硕士学位论文 第二章基于s r a m 的f p g a 架构及单粒子翻转效应 2 1f p g a 架构 2 1 1s r a m 型f p g a 目前市场上有多家公司生产的f p g a ，这里主要介绍x j l i n i x 公司的基于s r a m 的f p g a ，其内部结构是一些灵活规则的矩形块，如图2 1 。这些矩形块包括多列 的c l b 模块和围绕在器件四周的可编程输入输出模块( i o b ) ，所有矩形块由大量 快速多面的布线资源互连起来。 图2 1 基于s r a m 的f p g a 模型 c l b 元件由查找表( l u t ) 、触发器、布线资源( 包括开关矩阵、多路复用器 和连线) 构成【3 】o 每个c l b 包含四个切片( s l i c e ) ，每个s l i c e 又包含两个四输入 的的查找表、两个d 触发器和一些进位逻辑。f i g 查找表和x 触发器是s l i c e 里的主要元件，当然也有控制内部资源互连的多路复用器，出此之外s l i c e 里还有 用于算术逻辑的快速进位链。如图2 2 。 l l v i 可被看作函数发生器，可以实现两个4 输入逻辑函数，至多可实现9 输 入的逻辑函数【4 l 。除了实现逻辑函数，u j l 还可被看成1 6 个1 位的同步r a m 。 6 0 冬 ； 鱼 t 5 h l t r i j u io n 图2 - 2 c l b 结构 s l i c e 里的存储元件既可编程为边沿触发的d 触发器又可为电平敏感的锁存 器。d 输入既可来自切片里的函数发生器也可直接来自切片的输入。 c l b 元件为构建逻辑提供了功能性元件，同时l o b 提供c l b 和封装引脚之间 的接口。所有逻辑块通过通用布线矩阵连接起来，布线矩阵由一排位于垂直和水 平布线通道交叉点的上的布线开关构成。 2 1 2 v ir t e xf p g a s x i l i n x 公司自1 9 9 8 年开发v i r t e x 系列f p g a ，已陆续发布了几个版本： v i r t e x i i ，v t r t e x e 和v i r t e x - 4 。 每个v i r t e xf p g a 主要的可重配置元件是c l b ，由四部分组成： c l b ：为组合和时序逻辑提供功能元件，包括基本存储元件。每个c l b 连 接有三态缓冲，驱动专用可分割的水平布线资源。 b r a m ：提供1 8 k b i t 双端口r a m 存储元件。 乘法器块：1 8 - b i t 1 8 - b i t 专用乘法器。 d c m ：管理、掌控时钟的专用模块。能完成分频，倍频，去s k e w ，相移 等功甜5 1 。 2 2 单粒子翻转效应 2 2 1 集成电路里的辐射效应 单粒子既能撞击组合电路也能时序电路造成危害。如图2 3 ，是典型的时序电 7 电子科技大学硕士学位论文 路拓扑结构。数据在时钟的上升沿或下降沿从第一个锁存器释放给组合逻辑，然 后马上进行逻辑运算。在第二个时钟的上升沿或下降沿之前的某个时刻，组合逻 辑输出到达第二个锁存器。时钟边沿，输入的任何数据被锁存进锁存器。 干扰l 时钟 图2 - 3 单粒子对组合逻辑和组合逻辑的干扰 当带电粒子撞击存储单元的敏感节点，会产生一个瞬时的电流脉冲，导致反 向晶体管门打开。这个效应将引起存储值的倒置，也就是，存储单元位翻转。存 储单元有两个稳定状态，一个状态代表存储值为“1 ”，一个状态代表存储值为“0 ， 每个状态，两个晶体管打开，两个关闭。位翻转发生时，能量粒子引起电路里晶 体管状态倒置。这个效应叫做单粒子翻转( s e u ) ，主要发生在数字电路中。 当带电粒子撞击组合逻辑块，也会产生瞬态电流，这个现象叫做单粒子瞬态效 应( s e t ) 【6 】。如果逻辑足够快传播瞬时电流，那么s e t 将会出现在图2 4 中的第 二个锁存器输入，成为一个有效信号，即s e t 变成了s e u 。s e t 被捕获与否取决 于到达时间与时钟上升或下降沿间的时间关系 2 2 2 单粒子翻转下的s r a m 型f p g a f p g a 编程通过下载配置位流到s r a m 矩阵实现。只要下载新位流，器件功 能可在任何时刻改变。位流的最小单元是帧，它包含配置矩阵中可编程元件的所 有信息，然而所有位潜在易受到s e u 感染f 丌。 当带电粒子撞击用户组合逻辑时，s e u 在f p g a 里产生一种特殊效应。对于 a s i c ，粒子撞击组合或时序电路的效应都是暂态的，不同的是故障持续时间。组 合逻辑故障是节点中的瞬时逻辑脉冲，通过逻辑延时或拓扑可能会消失。也就意 味着，组合逻辑的瞬时故障可会也可不会被锁进存储单元。时序逻辑故障表现为 位翻转，将在存储单元中持续到下次采样。 另一方面，在s 1 l a m 型f p g a 里，无论是用户组合逻辑还是用户时序逻辑， 都是通过用户化s r a m 单元实现。如图2 - 4 。当干扰发生在被综合到f p g a 的组 8 k 龟 o 第二章基于s r a m 的f p g a 架构及受干扰原理 合逻辑，相当于u j t 单元或控制布线单元的某一位发生了位翻转。l u t 存储单元 中的一个翻转修改了所实现的组合逻辑。如图2 5 。这是个永久性效应，只有重新 下载配置位流才能被纠正。翻转效应与l u t 定义的组合逻辑中固定型故障相关。 这就意味着，发生在f p g a 实现的组合逻辑中的翻转将会被存储单元锁存，除非 使用某种检测技术。 图2 4 电路故障及对应的f p g a 架构受干扰效应 abcd 图2 - 5 l u t 中的干扰 布线中的翻转会导致矩阵中连线的连接和分离。这也是个永久性效应，映射为 组合逻辑的开路或短路，只有通过重新下载位流才能被修复。 当翻转发生在综合于f p g a 的时序电路，它是个瞬态效应，因为c l b 触发器 中的翻转可在下一个触发器时钟采样被纠正。 9 电子科技大学硕士学位论文 第三章基于模块的s e u 故障检测和容错技术 3 1 故障检测技术 针对基于s r a m 型f p g a 的数字系统的故障检测技术可分为硬件冗余、时间 冗余、误差检测编码和自校验技术。其中以硬件冗余和时间冗余都是源自冗余的 理论，只是冗余的手段不一样。而误差检测编码和自校验技术都是靠编码来检测 故障，近来在这两种技术之上，又提出了一种新的检测技术：误差检测和纠正编 码。 3 1 1 故障检测和纠正编码 故障检测和纠正编码( e d a c ) 技术被用做缓解s e u ，常用于存储单元。可用 于这种技术的编码有很多种，汉明码就是其中之一。汉明码是故障检测和故障纠 正相结合的二进制编码，可以检测所有单位和双位故障并纠正所有单位故障【8 】。因 此这套编码可被用于在单数据结构中不常发生多位故障的系统。这个编码满足这 样的不等式2 k 7 m + k + l ，其中m + k 是被编码的字的总位数，m 是初始字含有的位 数，k 是被编码字中的校验位数。 汉明码具体是实现由负责编码的组合逻辑块，包括字中指示奇偶性的附加位 和负责译码的组合逻辑块组成。编码模块计算校验位，可以由一串两输入异或门 实现。译码模块比编码模块复杂，因为它不仅需要检错，还需要纠正，可以由一 些两输入异或门、与门和反向门组成。 汉明码的主要缺点就是不能纠正多位翻转，然而这这种情况经常在深度次微 米技术中发生，特别是一些高密度的存储芯片。 3 1 2 冗余技术 冗余技术又称储备技术，它是利用并联方式来提高系统可靠性的一种手段9 1 。 基于设计的抗翻转技术核心思想就是冗余，要么是附加额外元件的硬件冗余，要 么是执行时间延长或差时采样的时间冗余，要么是两类冗余相结合的冗余。 硬件冗余主要基于逻辑冗余，在附加元件或附加路径的支持下，保障设计即 1 0 第三章基于模块的抗s e u 故障检测技术和容错技术 使某部分出现故障也能正常运行。错误检测和校正编码( e d a c ) 也被看作是硬件 冗余，通过生成冗余位检测纠正翻转。硬件冗余以牺牲面积来提高可靠性，而时 序冗余可以减小大量的面积消耗，但是时序冗余只能检测到瞬态故障，对于永久 性故障却无能为力。如果只考虑存储器件中的s e u ，另外一种硬件冗余模式加 固存储单元一可避免故障。 时间、硬件冗余技术广泛应用于a s i c ，从翻转检测到翻转判决和纠错，各有 千秋，根据用户应用需要选择。 3 1 2 1 二模冗余技术 一= 模冗余常用做故障检测，对系统或系统的某个部分采用两个相同备份，当 故障发生时，简单比较两个备份输出即可，单纯的二模冗余只能离线检测不能做 在线检测，如果要实现在线检测还要配合其它逻辑，比较复杂。 ( 1 ) 时问二模冗余 时间二模冗余技术常用来检测组合逻辑中的s e t ，利用粒子撞击产生瞬态脉 冲的特点，在不同时刻比较输出信号。组合逻辑输出在两个不同时刻被锁存，两 锁存器时钟边沿相对时差为d 。比较器跟踪瞬态脉冲出现。如图3 - 1 。 a o b o c o 图3 - 1 时间二模冗余 ( 2 ) 硬件二模冗余： 如果采用硬件冗余，带比较器的双模冗余既能检测组合逻辑中的s e t 又能发 现时序逻辑中s e u ，其结构如图3 2 和3 3 。 b o c o a 1 b 1 c 1 图3 - 2 硬件双模冗余检测组合逻辑中的s e t k + 鱼 电子科技大学硕士学位论文 3 1 2 2 全冗余技术 全冗余源自n 模冗余，这里n 为3 ，即使三模冗余。全冗余不但能检测故障， 只要不两模或两模以上同时发生故障，还能结合使用多数表决器掩盖故障，可靠 性比二模冗余更高。 图3 - 3 硬件双模冗余检测时序逻辑中的s e u ( 1 ) 全时间冗余 组合逻辑的全时间冗余，在三个不同时刻锁存组合逻辑输出，第二个锁存器 时钟相对第一个锁存器延时d 时刻，而第三个锁存器时钟相对第一个延时2 d 时刻， 三路经锁存的输出再经表决器表决，这样即使存在s e t 也能给出正确输出。全时 间冗余如图3 4 ，多数表决器如图3 5 。全时间冗余的多余面积花销仅在额外的采 样锁存器上，性能损失则由c l k + 2 d 决定，其中d 取决于瞬态脉冲持续时间，t p 是来自多数表决器的延迟。 舢 b o c o l 组合逻辑 c 墩毯二i 多 c 。hd ：口 数 表 决 器 一ldq c l k + 2 d - | 二 图3 - 4 全时间冗余 图3 - 5 多数表决器 1 2 o o 0 o 0 010 0loo 011 l 10 o 0 101 l 1 1ol l 1l l 0 第三章基于模块的抗s e u 故障检测技术和容错技术 ( 2 ) 全硬件冗余 一 三模冗余( n 偶) 方法是全硬件冗余的代表，逻辑经一式三份，置表决器于 输出端识别正确输出值。最早广泛应用在空间应用中的三模冗余是对整个器件三 模备份，如图3 6 。这个方法既适用于组合逻辑又适用于时序逻辑，缺陷就是如果 表决器中发生了翻转，整个三模冗余就无效了，1 而且这种方法对翻转累积毫无办 法，因此必须添加额外机制在下一次s e u 发生时修复翻转。 图3 - 6 三模冗余 时序逻辑 图3 - 7 带单表决器的t m r 存储单元 7 一个更有效的三模冗余把重点放在敏感逻辑，例如，保护存储单元不受s e u 干扰，如图3 7 ，尽管如此仍然不能避免时序逻辑里的故障累积和表决器受到干扰。 为了还原修正值，带有反馈的三表决技术出现，如图3 8 。锁存器中的翻转通过额 外逻辑修正并防止积累。刷新率由多路器控制信号设置。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 8 带反馈三表决三模冗余 t m r 也能掩盖组合逻辑中的s e t ，如图3 9 ，三各份所有的组合逻辑和时序 逻辑，虽然相对时序冗余面积开销巨大，但是既能掩盖s e t 又能掩盖s e u ，还能 避免故障积累，且没有大的性能损失f l o l 。 时序逻辑 图3 - 9 时序逻辑全硬件冗余和组合逻辑全时间冗余结合的系统 3 2 容错技术 数字电路的容错即在电路发生故障后，恢复电路正确的状态。s r a m 型f p g a 包含可编程逻辑元件和可编程互连资源，运行期间不需预取指令，也就是说，f p g a 没有程序计数器。逻辑元件可被编程复制基本逻辑门的功能或妒的功能。由于其 1 4 第三章基于模块的抗s e l l 故障检测技术和容错技术 可编程特性，当通过编程基本逻辑元件实现的电路受到干扰，可以重新下载电路 的编程信息，恢复电路初始状态，即对s r a m 型f p g a 系统的容错可以采用重配 置的手段【l l 】。 3 2 1 静态重配置 自从f p g a 发展到基于易失性存储器为编程器件阶段，电路程序需要在每次 上电之后重新下载。器件获得硬件程序的过程就叫做配置。x i l i n xf p g a 器件通常 分为下面三种配置模式： ( 1 ) 主从串行模式：串行模式支持菊花链式配置。如果是从串行模式需要外 部时钟，每个时钟周期下载l b i t 数据。 ( 2 ) 主从s e l e c t m a p 模式：只有v i r t e x 系列f p g a 支持s e l e c t m a p 模式。 s e l e c t m a p 模式可以并行读写，每个时钟周期读写1 字节数据。如果是从s e l e c t m a p 模式需要外部时钟。这种模式常用于快速配置。 j ( 3 ) 边界扫描模式：工业标准串行编程模式。来自数据线、微处理器或其它器 件用于驱动j t a g 特定引脚，测试数据输入( t d i ) 、测试模式选择( t m s ) 、响应 测试数据输出( t d o ) 的敏感器件和测试时钟( t c k ) 。每个t c k 时钟下载l b i t 数据。 这些配置模式都是静态配置，配置独立于应用执行过程，如果要改变映射到 f p g a 上的硬件功能，可以重新配置f p g a ，这时必须关闭系统，进行离线配置， 配置完成后再重启系统。 3 2 2 动态部分重配置珈p r 静态配置的主要缺点就是缺乏灵活性。d p r 却更加灵活，可以只重配置选择 的区域同时保持其它未被选区域的功能运转，即使在部分配置的时候，不需要关 闭系统。某些嵌入式实时系统不能离线，必须一直保持运转，d p r 构建这类系统 时就显示了充分的优势。 x i l i n x 公司的v i r t e x ，v i r t e x e ，v