隨著航天領(lǐng)域中電子系統(tǒng)的發(fā)展,FPGA(Field-Programmable Gate Array)器件在其環(huán)境下發(fā)揮著關(guān)鍵作用�，F(xiàn)階段,FPGA芯片架構(gòu)有SRAM(Static Random-Access Memory)型、FLASH型、和反熔絲型。SRAM單元在掉電以后里面的數(shù)據(jù)就會(huì)消失,因此在器件系統(tǒng)上電后,須將配置數(shù)據(jù)經(jīng)配置電路送給到SRAM單元,來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA的正常工作。在航天領(lǐng)域,空間環(huán)境中的宇宙射線或強(qiáng)磁層產(chǎn)生的高能帶電粒子都會(huì)對(duì)集成電路造成干擾,當(dāng)宇宙中的單個(gè)高能粒子射入半導(dǎo)體靈敏區(qū),半導(dǎo)體器件內(nèi)存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)位信息會(huì)跳變,即數(shù)據(jù)位高低電平會(huì)隨機(jī)轉(zhuǎn)換,這樣使得電路的功能發(fā)生錯(cuò)誤,后果難以預(yù)知,并且隨著芯片集成度的增加,發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的可能性也在增加。在特殊的環(huán)境下,對(duì)半導(dǎo)體器件在抗輻照方面的特性上提出要求,這樣里面保存的數(shù)據(jù)相對(duì)安全與可靠些�；诜慈劢z結(jié)構(gòu)PROM具有一定的耐輻照性,與其他配置的芯片相比較,可以穩(wěn)定可靠的保存數(shù)據(jù),在輻射強(qiáng)、晝夜溫差大、電磁干擾嚴(yán)重的外太空環(huán)境工作時(shí)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。反熔絲PROM(Programmable Red-Only Memory)具備快速讀取、功耗低、抗輻照性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛利用在航空環(huán)境中。本文提出了一種新型的FPGA芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)即反熔絲PROM+SRAM,即將PROM作為配置芯片來(lái)加載FPGA器件,這樣可保證配置數(shù)據(jù)的穩(wěn)定保存,相比較于常見(jiàn)的SRAM型FPGA具有一定的抗輻照功能,且可將實(shí)現(xiàn)不同功能的配置數(shù)據(jù)保存入不同的反熔絲配置存儲(chǔ)器中來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的工作包括了:首先對(duì)反熔絲配置存儲(chǔ)器的工作過(guò)程進(jìn)行研究,然后討論了SRAM型FPGA上電后的配置過(guò)程,確定了PROM作為配置芯片時(shí),FPGA的配置模式。設(shè)計(jì)了PROM芯片轉(zhuǎn)接電路和FPGA最小系統(tǒng)板,設(shè)計(jì)配置接口電路,并對(duì)電路進(jìn)行功能仿真,在線調(diào)試和實(shí)物驗(yàn)證。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做優(yōu)化評(píng)估,提出關(guān)于配置電路可靠性的建議。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V443
【部分圖文】：

第二章 反熔絲配置存儲(chǔ)器第二章 反熔絲配置存儲(chǔ)器2.1 反熔絲存儲(chǔ)器整體結(jié)構(gòu)本課題采用的反熔絲 PROM 的存儲(chǔ)容量為 256kbit，PROM 存儲(chǔ)器主要有四個(gè)功能模塊組成，其中存儲(chǔ)陣列占了大部分的芯片面積，另外還有一些存儲(chǔ)器編程電路、數(shù)據(jù)讀取電路、存儲(chǔ)器地址譯碼電路等外圍電路[11]，如圖 2-1 所示：

PE 為 0，OE 為 1 時(shí)，芯片工作在編程即寫(xiě)入狀態(tài) 1，OE 為 0 時(shí)，芯片工作在讀取狀態(tài)[11-12]。結(jié)構(gòu)原理存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)由熔絲和反熔絲兩種組成，前者在默認(rèn)情況下元沒(méi)有數(shù)據(jù)，對(duì)外顯示為 0，熔絲型 OTP（One Time Program據(jù) 1 時(shí)，需要高壓信號(hào)加在結(jié)構(gòu)的兩端，使其熔斷，對(duì)外顯示構(gòu)的存儲(chǔ)器對(duì)周圍環(huán)境比較敏感，在編程之后即熔絲燒斷后，持為高電平，對(duì)外不可恢復(fù)到其編程前的狀態(tài)，這樣可能會(huì)使誤的數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的一次性存儲(chǔ)器中的熔絲結(jié)構(gòu)為多晶硅，多晶情況下，熔絲結(jié)構(gòu)兩端是連接的，如圖 2-2（a）所示，在將數(shù)時(shí)，利用功率較大的激光來(lái)對(duì)熔絲結(jié)構(gòu)中的多晶硅進(jìn)行燒斷，絲機(jī)構(gòu)兩端存在的電路通路斷開(kāi)，如圖 2-2（b）所示。在對(duì)熔，可能對(duì)周圍的多晶硅熔絲帶來(lái)影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，需要將一定的空間，這樣就會(huì)造成芯片面積增大，成本升高[11]。

圖 2-3 反熔絲 PROM 結(jié)構(gòu) 所示為本課題中 OTP 存儲(chǔ)器 PROM 的反熔絲的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在每個(gè)反熔絲結(jié)構(gòu)，在電路圖中用電容表示（相當(dāng)遠(yuǎn)端開(kāi)路狀態(tài)）燒寫(xiě)數(shù)據(jù)之前，用戶可以選擇對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)單元中的哪個(gè)反熔絲設(shè)置為對(duì)左右兩邊的反熔絲結(jié)構(gòu)一起編程。同理，在讀取數(shù)據(jù)讀左邊存儲(chǔ)單元，或者只讀右邊存儲(chǔ)單元，還可以一起選中兩并聯(lián)讀取，編程和讀取模式的選擇根據(jù)芯片初始化來(lái)決定[11-12]。是提高芯片的可靠性，減少出錯(cuò)幾率。
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本文編號(hào)：2861138