抗SEU存儲器的設(shè)計的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　3.1 TMR模塊

　　在TMR工作模式下可完成數(shù)據(jù)的寫入操作和讀取操作中的冗余判決。如果在讀取過程中發(fā)現(xiàn)有一片RAM中的數(shù)據(jù)與其它三片不同，則對該片RAM進(jìn)行正確數(shù)據(jù)的回寫;如果發(fā)現(xiàn)三片RAM中的數(shù)據(jù)都不相同，則產(chǎn)生中斷信號。

　　3.2 擴(kuò)展?jié)h明碼模塊

　　在擴(kuò)展?jié)h明碼工作模式下，當(dāng)寫入數(shù)據(jù)時，則對其進(jìn)行編碼;當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時，則對其進(jìn)行相應(yīng)的解碼，并判斷數(shù)據(jù)是否出錯。如果一位錯則自動回寫正確值，如果兩位以上的錯誤，則產(chǎn)生中斷信號。

　　3.3 模式選擇模塊

　　在該模塊內(nèi)部設(shè)置有一個32位的模式配置寄存器。通過給模式配置寄存器的低18位進(jìn)行預(yù)先置數(shù)，可以設(shè)置檢錯糾錯電路的工作模式，同時也就設(shè)置了RAM的內(nèi)存配置情況。根據(jù)CPU的不同應(yīng)用要求，模式控制模塊可以讓檢錯糾錯電路在擴(kuò)展?jié)h明碼方式與TMR方式二者之間進(jìn)行靈活的切換。

　　3.4 控制邏輯模塊

　　該電路模塊可根據(jù)電路所處的檢錯糾錯模式來控制相應(yīng)的讀寫信號和內(nèi)存片選信號，以便正確訪問RAM內(nèi)容。

　　4 FPGA的編程與實(shí)現(xiàn)

　　接下來對每個模塊在設(shè)計過程的具體考慮進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

　　4.1 TMR模塊

　　對于TMR模塊的設(shè)計較為簡單。需要特別指出的是，考慮到對電路有效性的驗證，在寫通道上另外添加了錯誤注入模塊。圖4所示是其設(shè)計框圖，圖中，ctrl_err為錯誤注入控制信號，當(dāng)ctrl_err為0時，表示不注入錯誤;當(dāng)ctrl_err為1時，表示注入錯誤。這樣可以通過對ct-rl_err信號的控制來實(shí)現(xiàn)對SEU效應(yīng)的模擬。add_err[7..0]為注錯數(shù)據(jù)信號。將add_err的低四位用0000～1111表示，可用于表示給數(shù)據(jù)添加錯誤的位置，它的高四位甩XX01～XX11表示，則可分別表示要給RAM組中的某個RAM添加錯誤。

　　4.2 擴(kuò)展?jié)h明碼模塊

　　擴(kuò)展?jié)h明碼模塊的設(shè)計主要包括編碼模塊、伴隨式生成模塊以及差錯校驗?zāi)K等。編碼模塊可使用式(1)進(jìn)行編碼，可生成r個校驗位。并將它們依次添加到碼元序列的第2i-1(其中i=0，…，r-1)個位置上。伴隨式生成模塊使用式(2)進(jìn)行解碼，可對應(yīng)生成校驗子S。差錯控制模塊可根據(jù)生成的校驗子S來判斷數(shù)據(jù)是否出錯，以及出錯的位數(shù)，并用sef與def表示。如果數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)錯誤，則直接送出;如果數(shù)據(jù)中有一位出現(xiàn)錯誤，則對其進(jìn)行回寫，同時將修正的數(shù)據(jù)送出;如果兩位出現(xiàn)錯誤，則輸出中斷信號int。

　　需要注意的是，擴(kuò)展?jié)h明碼模式下的地址信號需要進(jìn)行額外的處理。由于本設(shè)計采用了128K×16bit的SRAM芯片，它有17位地址信號。但是，正如上面提到過的，SRAM芯片組中將有4KB的存儲空間工作于TMR模式，還有248KB的存儲空間將工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式，而248KB的空間需要18位地址信號，這就要求有一個對地址信號進(jìn)行變換的模塊。當(dāng)?shù)刂沸∮?KB 時，電路工作于TMR模式下而無需對地址進(jìn)行變換;當(dāng)?shù)刂反笥诘扔? KB同時小于128 KB時，電路工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式，地址信號會選中第一個124 Kx(16+8)bit的空間，此時也無需地址變換;而當(dāng)?shù)刂反笥诘扔?28 KB，電路也工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式下，此時地址信號應(yīng)選中第二個124 Kx(16+81bit的空間，此時則應(yīng)將地址值加上4KB，然后取新的地址的低17位加到第二個124 Kx (16+8) bit的存儲空間上即可。

　　在上述TMR和擴(kuò)展?jié)h明碼模塊的設(shè)計中，對出錯數(shù)據(jù)的回寫是設(shè)計中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，主要應(yīng)考慮是否回寫和何時回寫兩個問題。這兩個問題可由時序控制模塊來解決。它主要根據(jù)CPU的控制信號，適時的發(fā)出錯誤標(biāo)示輸出使能信號flag_oe，從而改變CPU對RAM的讀寫狀態(tài)，完成

　　修正數(shù)據(jù)的正確回寫。

　　另外，電路中的錯誤標(biāo)示信號對整體設(shè)計的穩(wěn)定性至關(guān)重要。為了保證錯誤標(biāo)示信號的穩(wěn)定，可在雙向傳輸門B的讀入端加一個鎖存器，鎖存器的鎖存使能端也可由時序控制模塊的flag_latch來控制。

　　4.3 模式選擇模塊

　　模式選擇模塊用于接收來自CPU的配置信號config和片選信號cs_fpga，以便將32位的配置數(shù)據(jù)寫入配置寄存器。該寄存器的低18位數(shù)據(jù)為模式配置數(shù)據(jù)，地址信號通過與該數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可使小于該地址的存儲器空間工作于TMR模式，大于該地址的存儲空間工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式。

　　本電路采用軟件故障注入法來進(jìn)行電路的有效性驗證，所以，在電路設(shè)計中，可將模式配置寄存器的其余14位用于注入外部干擾數(shù)據(jù)，并將其連接到ctrl_err與add_err信號，以用來進(jìn)行軟件故障的注入，模擬SEU對電路的影響。

　　4.4 控制邏輯模塊

　　該模塊可接收模式選擇模塊的模式信號mode，以對TMR模塊和擴(kuò)展?jié)h明碼模塊輸出的讀寫信號和片選信號進(jìn)行選擇，然后輸出到RAM芯片的引腳上去，從而實(shí)現(xiàn)CPU對RAM的正確訪問。尤其是當(dāng)電路工作于擴(kuò)展?jié)h明碼模式時，還需根據(jù)地址信號判斷當(dāng)前對哪個124 Kx (16+8)bit的存儲空間片選有效。其具體電路如圖5所示。

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