Xilinx Virtex-7 FPGA软错误减缓技术研究

发布时间：2017-08-06 03:18

  本文关键词：Xilinx Virtex-7 FPGA软错误减缓技术研究

  更多相关文章： SRAM型FPGA 单粒子翻转 软错误减缓 ICAP接口 刷新

【摘要】：由于SRAM型FPGA具有高性能、高逻辑密度和可重复编程等特性,其越来越多的应用于航天领域,成为星载信号处理、数据传输和飞行器姿态控制等系统的关键部件。然而由于SRAM型FPGA具有特殊的结构,容易受到空间辐射的影响,其中单粒子翻转引起的软错误是其受到的主要影响。FPGA的存储单元中,配置存储器占有最大的面积,最可能受到软错误的影响。另一方面,配置存储器不能通过传统的电路加固方式进行错误减缓,因此研究配置存储器的软错误减缓策略至关重要。本课题以Xilinx Virtex-7系列XC7VX485T芯片为目标器件,研究配置存储器的软错误减缓策略,并提出一种系统级的错误减缓方案,该方案可以有效降低软错误对配置存储器的影响,从而提高FPGA系统的可靠性。基于该方案,本课题设计一种针对FPGA配置存储器的刷新系统。该系统基于回读、检错、纠错的原理,通过ICAP(Internal Configuration Access Port)接口实现对配置存储器的读写,通过FRAME_ECC电路提供的校验值实现对配置数据检错与纠错。该系统具有检测帧数据中2位错误及纠正1位错误的能力,同时支持故障注入功能。对于大多数应用,用户电路并不会占用FPGA中全部的逻辑资源,即并不是所有的配置数据错误都会对用户电路功能产生影响。本文将配置存储器中与用户电路相关的帧称为关键帧,并采用主要对关键帧进行检错纠错的策略,将大部分检错时间分配给关键帧,可以有效的降低系统平均纠错时间,从而提高系统软错误减缓效果。最后,验证结果表明,本设计可以实现对配置存储器的多位故障注入,并具有检测2位错误和修复1位错误的功能。相比于Xilinx公司的Soft Error Mitigation(SEM)Controller,本课题设计系统的平均纠错时间更短,具有更强的软错误减缓能力。同时本课题设计的系统只占用FPGA全部逻辑资源的0.1%,具有非常小的面积和功耗开销,而较小的面积开销降低了其自身受到单粒子翻转影响而失效的可能,因此该系统具有很高的可靠性。
【关键词】：SRAM型FPGA 单粒子翻转 软错误减缓 ICAP接口 刷新
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题背景及研究意义8-12
• 1.1.1 SRAM型FPGA在空间领域的应用8-9
• 1.1.2 空间辐射对SRAM型FPGA的影响9-11
• 1.1.3 SRAM型FPGA的SEU减缓技术11-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 本文研究内容14-16
• 第2章 配置存储器刷新系统总体方案16-24
• 2.1 配置存储器刷新系统设计目标16-18
• 2.1.1 实现配置存储器的软错误减缓16-17
• 2.1.2 实现故障注入功能17-18
• 2.2 配置存储器刷新系统方案选择18-22
• 2.3 配置存储器刷新系统总体方案设计22-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第3章 配置存储器刷新系统设计24-41
• 3.1 配置存储器刷新系统整体设计24-28
• 3.1.1 系统功能及接口描述24
• 3.1.2 系统整体设计24-28
• 3.2 ICAP接口读写控制模块设计28-34
• 3.2.1 ICAP接口及配置寄存器简介28-30
• 3.2.2 ICAP操作命令序列30-33
• 3.2.3 ICAP读写控制模块的实现33-34
• 3.3 基于FRAME_ECC的检错纠错设计34-36
• 3.4 地址生成模块设计36-40
• 3.4.1 确定有效帧地址范围36-37
• 3.4.2 确定关键帧的物理帧地址37-38
• 3.4.3 地址生成模块的实现38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 配置存储器刷新系统的仿真与验证41-54
• 4.1 系统功能仿真41-45
• 4.1.1 ICAP读写控制模块功能仿真41-42
• 4.1.2 地址生成模块功能仿真42-44
• 4.1.3 顶层模块功能仿真44-45
• 4.2 验证平台的搭建45-46
• 4.3 系统功能验证46-51
• 4.3.1 基本功能验证46-49
• 4.3.2 随机故障注入测试49-51
• 4.4 配置存储器刷新系统性能评估51-53
• 4.4.1 系统平均纠错时间分析51-53
• 4.4.2 系统占用资源及可靠性分析53
• 4.5 本章小结53-54
• 结论54-55
• 参考文献55-61
• 致谢61

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本文编号：628156