【摘要】：SRAM型FPGA由于其可重構(gòu)性、高邏輯密度和高性能越來越多地被應(yīng)用在空間應(yīng)用中。然而由于其本身所采用的CMOS工藝結(jié)構(gòu)特性,在太空等輻照環(huán)境下極易受電離輻射粒子影響而發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)(Single Event Upset,SEU),導(dǎo)致FPGA中的存儲單元發(fā)生位翻轉(zhuǎn)。配置RAM是FPGA器件上數(shù)量最多的存儲單元。由于存儲了用戶設(shè)計的實現(xiàn),發(fā)生在配置RAM上的位翻轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致用戶設(shè)計的不正常工作。因此,配置RAM上的SEU故障的容錯技術(shù)研究對于FPGA的高可靠應(yīng)用顯得尤為重要。本文對Xilinx Virtex-5系列FPGA的配置RAM的幀物理組織進(jìn)行了研究,給出了提取幀結(jié)構(gòu)的方法,并給出了配置比特流中幀的排列順序;通過對Xilinx Essential Bits技術(shù)的研究,在解析SEM IP核的中間文件的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上從配置比特流中提取出與用戶設(shè)計相關(guān)的位——必要位,進(jìn)而大大減少了所需處理的數(shù)據(jù)量;設(shè)計了一套完整的基于內(nèi)部ICAP接口訪問配置RAM的SEU減緩系統(tǒng),并設(shè)計了PC端的測試界面與自動化測試流程,方便用戶監(jiān)控和調(diào)試。所設(shè)計的SEU減緩系統(tǒng)在XC5VFX70T器件上實現(xiàn)了故障注入、回讀整幀、故障修復(fù)以及待測電路功能測試等功能。文中對三個用戶電路以及Microelectronics Center of North Carolina(MCNC)基準(zhǔn)測試套件中的三個基準(zhǔn)電路進(jìn)行了故障分類、故障注入與故障修復(fù)三個測試。故障分類將必要位按照是否影響待測電路的功能邏輯分為了關(guān)鍵位與非關(guān)鍵位并對待測電路進(jìn)行三模冗余后再次進(jìn)行測試分析結(jié)果。故障注入及修復(fù)測試按照全部關(guān)鍵位、全部非關(guān)鍵位以及關(guān)鍵位與非關(guān)鍵位混合注入設(shè)計了三組實驗,并對修復(fù)結(jié)果進(jìn)行了驗證與分析,以及對工程應(yīng)用的指導(dǎo)性進(jìn)行了說明。所設(shè)計SEU減緩系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單幀內(nèi)的一位糾錯與兩位檢錯,在50MHz工作時鐘下,每幀檢錯時間為2.42μs,每幀中單個比特故障時糾錯時間為2.48μs。系統(tǒng)占據(jù)FPGA slice資源的比例約為1%。所設(shè)計系統(tǒng)無需處理器參與,無需外部硬件開銷,可以靈活地移植到其他支持ICAP的FPGA芯片。
【圖文】：

Xilinx FPGA 的兩層結(jié)構(gòu)模型：應(yīng)用層(用戶設(shè)計)和配置層(配置邏e 1.2 Xilinx FPGA Conceptual Module: Application Layer (user desiConfiguration Layer (configuration resources).SRAM 型 FPGA，，SEU 效應(yīng)有可能發(fā)生在任意一個 SRAM 層和應(yīng)用層。配置層的存儲器稱為配置 RAM，定義了設(shè)儲器包含了用戶設(shè)計中用到的存儲器元件，用于保存設(shè)計以及預(yù)定義查找表內(nèi)容等，包括：BRAM、DRAM(Distri器)以及觸發(fā)器等資源。具體介紹如下[27]： RAM：第一大存儲單元，存儲單元數(shù)量占比最高。配置比，進(jìn)而決定了電路設(shè)計功能，包括功能塊行為和功能塊連接層中配置 RAM 的內(nèi)容會映射成為應(yīng)用層中的用戶邏輯具體實現(xiàn)組成包括查找表、觸發(fā)器、布線資源等。配置 R

SRAM 型 FPGA 在輻照環(huán)境下的容錯技術(shù)研究具并不易獲得。另外，楊百翰大學(xué)也在不斷地提供更新版本的開為 BL-TMR (The BYU-LANLTriple Modular Redundancy Tool)。基于 EDIF 的工具,可根據(jù)用戶選擇的選項，將 TMR 和/或 DWC入文件。該工具于 2006 年 5 月發(fā)行了初始版本 0.1.0，目前，至版本 0.5.2[35]。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN791

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