一种针对FPGA块RAM抗单粒子多位翻转的加固系统

本发明涉及航空、航天数据处理，特别涉及一种针对fpga块ram抗单粒子多位翻转的加固系统。

背景技术：

1、fpga具有可编程逻辑运算、高性能、可重构、高集成度的优势,已成为星载数据系统的核心元器件。然而fpga内部存储器、寄存器等资源的逻辑状态,在太空辐射环境下极易发生单粒子效应,导致电路逻辑和功能发生改变,是影响卫星安全和任务的重要因素。

2、随着复杂空间任务对在轨数据处理、运算能力要求越来越高，需要应用更高性能的fpga，比如xilinx的7系列fpga。而90nm以下的此类器件对空间单粒子效应更敏感。由于fpga制作工艺尺寸的几何级变小，如65nm、28nm、16nm工艺，fpga内部的高密集存储部件块ram，发生单粒子翻转事件时，更多的以多位翻转(multi bit upset，简称mbu)为主。mbu是在轨使用高性能fpga需要解决的关键问题。

3、根据研究发现，单次辐射引起的mbu并不是均匀地分布在各个字中，而是具有一定的错误图样。当错误数较多时，mbu将影响上下相邻两个字，以包含“田”字形的图样为主；当错误数较小时，图像主要为“l”和“田”字形，错误图样如图1所示。

技术实现思路

1、现有技术中多位纠错码算法复杂延时高、仅数据交织可靠性不强等的缺点，本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种针对fpga块ram抗单粒子多位翻转的加固方法。

2、为了实现上述目的，本发明提出了一种针对fpga块ram抗单粒子多位翻转的加固系统，用于对星载fpga块ram发生多位翻时进行检测和纠正，所述系统包括：

3、若干个抗mbu控制器，每个抗mbu控制器对应一个用户ram模块，所述用户ram模块包括一个或多个fpga块ram；所述抗mbu控制器包括：控制寄存器组、ecc编码模块、交织模块、用户侧读写控制模块、自刷新控制模块、解交织模块和ecc解码模块，其中，

4、所述控制寄存器组，用于抗mbu控制器的控制和状态记录；

5、所述ecc编码模块，用于根据用户待存储的数据位宽进行ecc编码；

6、所述交织模块，用于对ecc编码后的数据进行数据交织；

7、所述用户侧读写控制模块，用于将数据交织后的数据通过块ram的a端口输入块ram进行分块存储，还用于通过块ram的a端口读出数据进入解交织模块；

8、所述自刷新控制模块，用于在块ram空闲时通过块ram的b端口进行自刷新；还用于对块ram进行读写碰撞控制；

9、所述解交织模块，用于实现数据的解交织；

10、所述ecc解码模块，用于对解交织后的数据进行ecc解码。

11、作为上述系统的一种改进，所述块ram的a端口和b端口均为读写端口，a端口的优先级高于b端口。

12、作为上述系统的一种改进，所述控制寄存器组包括：配置寄存器、中断使能寄存器、错误计数寄存器、ecc出错地址寄存器、ecc出错类型寄存器、ecc状态清除寄存器和ecc出错数据寄存器。

13、作为上述系统的一种改进，所述ecc编码模块的处理过程包括：

14、根据用户待存储的数据位宽，8位数据进行汉明码(8,5)编码，16位数据进行汉明码(16,6)编码，32位数据进行汉明码(32,7)编码，64位数据进行汉明码(64,8)编码。

15、作为上述系统的一种改进，所述交织模块的处理过程具体包括：

16、采用4个数据交织存储的方法，将4个ecc编码后的数据按低地址0-3顺序存储，并将地址0和1上的偶数位与地址2和3上的偶数位交换，再通过块ram的a端口写入块ram进行分块存储。

17、作为上述系统的一种改进，所述块ram的分块存储具体包括：

18、对于用户待存储的数据位宽：

19、8位数据经ecc编码和交织处理后的数据使用一个16位宽的块ram存储；

20、16位数据经ecc编码和交织处理后的数据使用一个16位宽的块ram存储分高低地址存储；

21、32位数据经ecc编码和交织处理后的数据使用一个32位宽的块ram存储有效位，使用一个8位宽的块ram存储编码位；

22、64位数据经ecc编码和交织处理后的数据使用两个36位宽的块ram存储。

23、作为上述系统的一种改进，所述块ram的读写操作具体包括：

24、步骤s1)上电后，自动进行块ram初始化，块ram全部写0；

25、步骤s2)当用户读/写使能信号有效时，用户侧读写控制模块根据地址从块ram的a端口读出数据，由解交织模块进行解交织，再由ecc解码模块进行ecc解码；

26、步骤s3)当ecc解码正确，若是读操作，根据地址输出数据；若是写操作，将待写入数据和读出数据合并成一个相应位宽的数据后，由ecc编码模块进行ecc编码，再由交织模块进行数据交织后由用户侧读写控制模块根据地址通过a端口写入数据；

27、步骤s4)当ecc解码错误，根据ecc报错类型，若是一位错，控制寄存器组记录现场，ecc纠错，转至步骤s3)；

28、步骤s5)当ecc解码错误，根据ecc报错类型，若是不可纠错，控制寄存器组记录现场，通知用户，根据中断使能寄存器，确定是否对外输出中断。

29、作为上述系统的一种改进，所述自刷新控制模块的自刷新处理过程包括：

30、步骤t1)从块ram的b端口按低地址到高地址的顺序依次读出；

31、步骤t2)由解交织模块进行解交织，再由ecc解码模块进行ecc解码；

32、步骤t3)判断ecc解码是否正确，若ecc解码无错，地址加1，继续读下一地址，并转至步骤t1)；

33、若发生一位错误，记录出错类型、错误计数、数据和地址，根据提示的数据错误位置修改数据并通过b端口写回原地址，地址加1，继续读取下一地址，转至步骤t1)；

34、若出现多位错误，记录现场，通知用户，并根据控制寄存器组的中断使能寄存器，判断是否对外输出中断。

35、作为上述系统的一种改进，所述自刷新控制模块的读写碰撞控制具体包括：

36、当块ram的a端口和b端口同时对块ram的同一地址读写时，发生读写碰撞，b端口采用读写握手机制，等待a端口操作完成，再进行b端口的操作。

37、与现有技术相比，本发明的优势在于：

38、1、本发明的针对fpga块ram抗单粒子多位翻转的加固系统，将多位翻转转换为多个单位翻，通过组合逻辑实现汉明编译码，具有延时短、逻辑简单的优点；

39、2、本发明的针对fpga块ram抗单粒子多位翻转的加固系统，利用块ram空闲状态进行自刷新，若发生错误自动写回，且进行了ram读写碰撞设计，具有可靠性高的优点；

40、3、本发明的针对fpga块ram抗单粒子多位翻转的加固系统，针对8位、16位、32位和64位数据宽度，根据特点提出分块存储的方法，具有效率高、资源利用率高的优点。