SRAM FPGA Tek Etkinlik Etkisi Güçlendirme Platformunun Tasarımı
Yarı iletken teknolojisinin hızlı gelişimi ile, büyük ölçekli entegre devreler daha karmaşık hale geldi ve geliştirme döngüsü daha uzun hale geldi. FPGA programlanabilir olduğundan, geniş uygulaması devrenin geliştirme maliyetini düşürebilir. Bununla birlikte, tek olay çökmesi (SEU), FPGA içinde büyük miktarda belleği güvenilmez hale getirecektir, özellikle Statik RAM (SRAM) FPGA'nın yapılandırma belleği ağır iyonlar tarafından bombalandığında, aygıtın mantıksal kablolama hatalarına ve modül arızasına neden olacaktır. Ve hatta tüm sistemin işlevinin kesintiye uğramasına neden olabilir. SRAM FPGA'lar için, konfigürasyon belleğinin tek olay dönüşü, toplam cihaz çevirme sayısının% 90'ından fazlasını oluşturur, bu nedenle konfigürasyon belleğinin tek olaylı çevirme koruması çok önemlidir.
SEU ile mücadele etmek için bazı yöntemler de vardır. Üçlü Modüler Artıklık (TMR), güvenilirliği etkili bir şekilde artırabilen yaygın olarak kullanılan bir etkidir. TMR'nin her yedek dalı bir hatayı koruyabilir, ancak çok bitli dönüşleri kaldıramaz Özellikle, kaynakların 3 katının tüketimi, tüm aygıtın işletim güç tüketimini de etkileyecektir. Kaynak tüketimini azaltmak için, literatür, küçük bir kaynak maliyetinde çok bitli çevirmeyi gerçekleştiren Çift Modüler Artıklığa (DMR) dayalı bir hata algılama devresi önermektedir; literatür, uzay kaynaklı bir sinyal işleme önermektedir. Platform yapısı, Xilinx V4 serisi FPGA'ları izlemek ve yenilemek için yüksek güvenilirlikli sigorta önleyici Actel FPGA'yı kullanır; literatür, yeniden okuma ile bulunamayan hataları önlemek için FPGA'nın yenileme tasarımında işlenecek yarım mandalı tanıtır; literatür, bir Etkili pekiştirme testi yöntemi; literatür ZYNQ takviyesine dayalı bir teknoloji önermektedir.
Teknolojinin gelişmesiyle birlikte, fonksiyonel modüllerin entegrasyonu kademeli olarak gelişmiştir.Xilinx'in Kintex-7 serisi FPGA'sı şu anda daha yaygın olan işlemcidir ve tek partikül koruması daha acil hale gelmiştir. Güvenilirliği artırmak ve uzay radyasyonunun neden olduğu hatalarla etkin bir şekilde mücadele etmek için, bu makale, Xilinx Kintex-7 FPGA'yı geri okumak, doğrulamak ve yenilemek için yüksek güvenilirliğe sahip anti-sigorta Actel FPGA'ya dayalı bir işleme platformu önermektedir.
1 Uzay radyasyonu
Uzaydaki elektronik cihazlar, uzayda çok sayıda yüksek enerjili radyasyon partiküllerinden (protonlar, elektronlar, alfa partikülleri, ağır iyonlar, gama ışınları vb.) Etkilenir.Yüksek enerjili partiküller, yarı iletken cihazların PN birleşimiyle çarpışır ve ağır partiküllerin yörüngesi etrafında oluşur. Yük, geçici bir akım oluşturmak için PN eklemine duyarlı elektrot tarafından toplanır.Geçici akım belirli bir değeri aştığında, mantık devresini tetikler, bu da yarı iletken belleğin veya flip-flopun tersine dönmesine ve mantık işlevinin geçici anormalliğine veya kesintisine, yani tek olay etkisine neden olur.
Tek olay etkisi mekanizmasına göre, havacılık uygulamalarındaki entegre devre yongaları, tek olay etkisinin sistem işlevleri üzerindeki etkisini azaltmak için güçlendirilebilir. Tek olay etkisinin güçlendirilmesi için iki kategoriye ayrılabilir: teknolojik güçlendirme ve işlevsel güçlendirme.
İşlem takviyesi, radyasyon takviyesi için tasarlanmış havacılık sınıfı cihazlar gibi daha yüksek radyasyon direncine sahip cihazlar üretmek için güçlü radyasyon direncine sahip işlemlerin ve malzemelerin kullanılmasını ifade eder. Fonksiyonel güçlendirme, radyasyon direnci amacına ulaşmak için tek olay etkisinin neden olduğu hata mantığını düzelterek, cihazı sıfırlama veya yeniden yazma işlemleri yoluyla tamir etmeyi ifade eder.
2 Araştırma durumu
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Curiosity probu ve Venus Express probu, Xilinx'in uzay sınıfı FPGA'sını kullanmaktadır. Şu anda, şirketin Virtex-4QV (bundan sonra V4 olarak anılacaktır) gibi radyasyona dayanıklı FPGA ürünleri, uzay uygulamaları için olgun işlemciler olarak kabul edilmektedir. Ancak yüksek fiyatı ve uzun tedarik döngüsü, Çin'deki ilgili alanlardaki araştırma maliyetini artırdı. Xilinx tarafından üretilen Kintex-7 (bundan böyle K7 olarak anılacaktır) FPGA, düşük güç tüketimi ve yüksek maliyet performansı avantajlarına sahiptir ve mevcut kaynaklar, radyasyona dayanıklı V4'e göre daha büyük bir avantaja sahiptir.Tablo 1, V4 (spesifik model XQ4VSX55) ve K7'yi (spesifik model) karşılaştırmaktadır. XC7K32ST) iki yonganın ana parametreleri.
XC7K325T'nin mantık birimi, XQ4VSX55'in 5.9 katıdır ve DSP kaynakları bunun 1.6 katıdır.Bol miktarda kaynak, karmaşık sinyal işleme için çözümler sağlar ve sistemin minyatürleştirilmesi için güvenilir bir çözüm sağlar.
Hem XC7K325T hem de XQ4VSX55, SRAM yapısını benimser ve ana donanım bileşenleri şunlardır: Yapılandırılabilir Bellek, Yapılandırılabilir Mantık Bloğu, Programlanabilir IO, BlockRAM, Çarpma (Çarpan), dijital saat yönetim modülü (Dijital Saat Yöneticisi), yapılandırma durumu makinesi (Yapılandırma Durum Makinesi), sıfırlama durumu makinesini açma (Güç Açık Sıfırlama Durum Makinesi), yönlendirme kaynağı (Yönlendirme Kaynağı).
SRAM yapısı nedeniyle, ilgili deneyler, FPGA arızalarının çoğunlukla yapılandırılabilir bellekteki tek olay kesintisinden (SEU) kaynaklandığını göstermektedir. Yapılandırılabilir bellek, FPGA tasarımındaki Kontrol Bitini, Arama Tablosunu, Çoklayıcıları, Programlanabilir Ara Bağlantı Noktalarını ve Yönlendirme Tamponunu kontrol eder. Yapılandırılabilir bellekteki çeşitli işlevsel bitlerin oranına göre, yapılandırılabilir belleğin tek olay dönüşünün esas olarak kablolama kaynaklarında hatalara neden olduğu yargılanabilir. Tek olay ters çevirme, bulunduğu işlevsel modülün işlevini etkiler, ancak tüm cihazın sinyal işleme işlevinin arızalanmasına neden olmaz ve bu tür arızalar yenilenerek onarılabilir.
3 Güçlendirilmiş platform tasarımı
3.1 Genel tasarım
Bu tek parçacık güçlendirme platformu, temel olarak Yüksek Güvenilirlik Birimi (HRU), XC7K325T ve PROM'dan oluşur. Bunların arasında, sinyal işleme kısmı bir FPGA parçası ile tamamlanır ve yüksek güvenilirlikli ünite, FPGA konfigürasyonunu, izleme, tekrar tekrar doğrulama ve yenileme fonksiyonlarını tamamlar. XC7K325T'ye dayalı anti-SEU platform tasarımının blok diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir.
Resimde, K7 FPGA ve anti-sigorta HRU doğrudan etkileşir ve HRU doğrudan bellek yongasına bağlanır.Program, K7 FPGA'daki yapılandırma bitlerini karşılaştırmak için çerçeve kontrol yöntemini kullanır. Bellek yongası 17V16'nın boyutu, hesaplamadan sonra gerekli olan 16 Mb'dir. 6 adet 17V16.
3.2 K7'nin açılış yapılandırması
Bu platformun iş akışı, sistem açıldıktan sonra, HRU'nun önce K7'yi yapılandırmasıdır. K7'nin konfigürasyon zamanlama diyagramına göre (Şekil 2'de gösterildiği gibi), önce PROGRAM_B pinine basın ve K7'nin konfigürasyon yazmacını başlatın. INIT_B pini yükseldiğinde Şu anda, PROM'daki programı K7'ye indirin.Konfigürasyon tamamlandığında, K7'nin DONE pini yüksek olacak, bu da konfigürasyonun başarılı olduğu ve K7'nin çalışmaya başlayacağı anlamına gelir.Bu sırada, HRU önce konfigürasyonun başarılı olup olmadığını kontrol eder. Başarılı olursa, yeniden yapılandırılacaktır; K7 başarıyla yapılandırılırsa, bekçi uygulaması devresi çalışmaya başlayacak ve ardından HRU, K7'nin çalışma durumunu gerçek zamanlı olarak algılamak için izleme durumuna girecektir.
Bunlar arasında, K7'nin her bir konfigürasyon piminin tanımı Tablo 2'de gösterilmektedir.
3.3 K7 yeniden tekrar doğrulama ve yenileme
K7 yapılandırması tamamlandıktan sonra, cihazda bir yeniden okuma testi gerçekleştirmesi için sözlü tekrar doğrulama komutunu bekleyin. K7'nin sözlü tekrar kontrolü çerçeve koduyla kontrol etme yöntemini benimser. Yeniden okuma sürecinde, hata çerçevesi kaydedilir ve dijital olarak iletilir. K7'nin sözlü tekrar kontrolü tamamlandığında, bir hata kararı verilir. Bir hata tespit edilirse, ilgili cihaz dinamik olarak yeniden yapılandırılarak orijinal tasarım durumuna geri döndürülür. Tam K7 anti-SEU takviye yazılımı yürütme süreci Şekil 3'te gösterilmektedir.
Bunlar arasında, K7'nin durumunun algılanması, K7'nin dahili yapılandırma belleğindeki verilerin SelectMAP arabirimi aracılığıyla okunması işlemi olan bir geri okuma işlemi ile tamamlanır. Geri okuma işlemi, K7 belleğinin mevcut durumunu ve kablolama kaynaklarının konfigürasyonunu vb. Okuyabilir ve ardından geri okunan verileri tespit ederek mevcut konfigürasyon verilerinin doğruluğunu belirleyebilir. Yeniden doğrulama doğrulaması, K7 tek olay arıza tespiti için önemli bir yöntemdir. Sözlü tekrar süreci üç bölüme ayrılmıştır: yazma işlemi komutu, verileri okuma ve sahneyi geri yükleme. FPGA geri okuma verilerinin her çerçevesinin içeriği, karşılık gelen işlevsel modülün mantık işlevini belirler. HRU, konfigürasyon belleğini geri okuyarak ve doğrulayarak, işlevsel modülün kısmen yeniden yapılandırılıp yapılandırılmayacağına karar verebilir.
4 Uygulama doğrulama
Bu tasarımda kullanılan dinamik geri dönüş, çalışan devre mantık fonksiyonunu kesintiye uğratmadan konfigürasyon belleğini geri okumaktır. Sözlü tekrar K7'nin konfigürasyon verilerinin anormal olduğunu tespit ettiğinde, bir yenileme işlemi gerçekleştirilir. Yenileme işlemi, hedef cihaz K7'nin yanlış yapılandırma verilerini yeniden yapılandırmak ve onarmak içindir.Yukarıdaki işlem aracılığıyla, HRU, XC7K325T'nin SEU takviyesini tamamlayabilir.
XC7K325T uzay ortamının uygulanması sırasında SEU oluşumunu simüle etmek için, sağlamlaştırılmış yazılımın geri okuma doğrulama ve yenileme işlevleri test edildi. Test sisteminin bileşimi Şekil 4'te gösterilmektedir.
Test sistemi esas olarak bir arıza üreten bilgisayar, XC7K325T ve HRU'dan oluşur. Hata ayıklama kolaylığı için, K7 konfigürasyon dosyası Flash'ta saklanır ve bilgisayar, JTAG portu üzerinden yanlış konfigürasyon bilgilerini FPGA'ya yazar HRU, Flash'ta depolanan konfigürasyon dosyası ile karşılaştırır ve SEU'yu tespit ettikten sonra yenileme işlemini uygular. Çalışma talimatı aracılığıyla, yanlış konfigürasyon bilgisi enjekte edildiğinde K7'nin çalışma durumu izlenebilir ve ardından tekrar tekrar kontrolü yenilendiğinde, FPGA'nın orijinal konfigürasyon programı işlevi geri yüklenir.
Test esas olarak aşağıdaki adımlara bölünmüştür:
(1) Flash'ta depolanan yapılandırma dosyasına bağlı olarak, bir veya daha fazlasını değiştirin ve doğru doğrulamayla bir yapılandırma dosyası oluşturun;
(2) Yenileme işlemini izlemek için iki yapılandırma dosyasının çalışma talimatlarını farklılaştırın;
(3) SEU'nun değiştirilmiş konfigürasyon dosyasını enjekte etmesini simüle edin ve çalışma talimatlarını izleyin;
(4) Programda belirlenen doğrulama süresini bekledikten sonra, HRU'nun bir devrilme tespit edip etmediğine karar verin ve çalışma talimatı aracılığıyla bir yenileme işlemi uygulayın;
(5) Döndürme sayısını ve hata yerleştirme yerini değiştirin ve testi tekrarlayın.
Testler, HRU sertleştirme yazılımının normalde tekli XC7K325T'nin açılış konfigürasyonunu tamamlayabildiğini ve XC7K325T konfigürasyon depolama alanının SEU ve onarım fonksiyonlarını tespit edebildiğini göstermektedir.
5 Takip çalışması
FPGA tek olay etkili hata sertleştirme tasarımı, genel platformun SEU'ya direnme yeteneğini artırmak için program koduna aşağıdaki eklemelerin yapılmasını gerektirir:
(1) FPGA'daki temel mantık modülleri için, üç modlu bir artıklık tasarımı TMR (Üçlü Modüler Artıklık) benimsenecektir;
(2) FPGA sinyal için yeterli hesaplama hızı gerektiriyorsa, hata algılama algoritması FPGA'nın mantık işleminin doğru olup olmadığını yargılamak için kullanılabilir;
(3) Mantık probları, bölge kısıtlama kablolama yöntemi ile programa eklenebilir ve önemli FPGA modüllerinin yakınına sabitlenebilir ve bu bölgedeki tek olay etkisi gerçek zamanlı olarak tespit edilebilir.
6. Sonuç
Bu makale, SRAM FPGA'ların donanım yapısı ile birlikte uzay radyasyonunun özelliklerini analiz eder, tek olay ters çevirmenin neden olduğu SRAM FPGA'ların arıza mekanizmasını açıklar ve mühendislik uygulamasına dayalı yüksek güvenilirlikli birimler kullanarak XC7K325T'yi yapılandırma, izleme, geri okuma ve kalibre etmenin bir yolunu önerir. Denetleme ve yenileme işlevleriyle tek olay önleme için güçlendirilmiş platform tasarımı. Arıza enjeksiyonu, sertleştirilmiş tasarımı test etmek için simüle edildi Test, sertleştirilmiş platform tasarımının, Kintex-7 serisi büyük kapasiteli FPGA'lerin uzay ortamında uygulanması için bir tasarım referansı sağlayan FPGA'nın izlenmesini ve onarımını tamamlayabildiğini gösterdi. Deneyler, platformun tek olay etkilerinin neden olduğu bit dönüşlerini ve işlevsel arızaları etkili bir şekilde onarabildiğini göstermektedir.
Referanslar
Wang Yueke, Xing Kefei, Yang Jun, vb Uzay Elektronik Aletleri için Tek Olay Etkili Koruma Teknolojisi Beijing: National Defense Industry Press, 2010.
AMAGASAKI M, NAKAMURA Y, TERAOKA T, et al.FpGA için bir alan kompakt yumuşak hata yerleşik devre. IC Tasarım ve Teknolojisi 2016 Uluslararası Konferansı (ICICDT), 2016.
Xing Kefei, Yang Jun, Wang Yueke ve diğerleri Xilinx SRAM FPGA Radyasyon Direnci Tasarım Teknolojisi Araştırması Açta Astronautica Sinica, 2007, 28 (1): 123-129.
Xing Kefei, Yang Jun, Zhou Yongbin ve diğerleri Uydular için SRAM FPGA'nın sağlamlaştırılmış tasarım yöntemi üzerine araştırma.Elektronik Cihazlar, 2007, 30 (1): 202-205.
Wang Peng, Zhang Daoyang, Lu Hao ve diğerleri.Bölme testine dayalı ters hata enjeksiyon yöntemi üzerine araştırma.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (8): 88-91.
Zhang Xiaolin, Ding Lei, Gu Liming. Üç seviyeli düşük ek yüke dayalı FPGA çok bitli çevirme azaltma teknolojisi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (4): 61-64.
Virtex-7 FPGA kullanıcı kılavuzu UG470 (v1.4), Xilinx, 2012.
Lin Jinmao, SDR Platformu Anti-SEU Performans Değerlendirmesinin Anahtar Teknolojileri Üzerine Araştırma Changsha: Ulusal Savunma Teknolojisi Üniversitesi, 2009.
Huang Jinjie, Sun Peng, Shen Mingjie ve diğerleri TMR'ye dayalı FPGA tek partikül takviye deneyi üzerine araştırma. Journal of Fudan University (Natural Science Edition), 2011, 50 (4): 477-484.
Li Mengliang, Le Lipeng, Zhang Jianjun, ve diğerleri.SEFI deneysel uzay tabanlı 65 nm radyasyona dayanıklı GNSS alıcısı ASIC yöntemi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (1): 53-56.
yazar bilgileri:
Qi Liuyu, Liu Guodong, Zhao Zhengyang
(China Electronics Technology Group Corporation'ın 54. Araştırma Enstitüsü, Shijiazhuang, Hebei 050081)
