高可靠性微控制器設(shè)計(jì)研究

　摘要：本文目標(biāo)是根據(jù)航天電子設(shè)計(jì)的需要，提出一種高可靠性微處理器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案。在分析了單粒子效應(yīng)的和總結(jié)了高可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì) oregano systems公司提供的 mc8051IP軟核進(jìn)行了修改。修改后的 IP核滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：設(shè)計(jì)方案合理，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具備實(shí)用價(jià)值。

　　引言

　　隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，高密度集成電路器件在航天器的研制中被大量使用，然而隨著器件集成度的提高和工作電壓的降低，空間輻射環(huán)境對(duì)電子系統(tǒng)的影響越來(lái)越多?？臻g輻射環(huán)境對(duì)電子系統(tǒng)的損害最主要的是單粒子效應(yīng)(Single Event Effect) ，它們會(huì)使器件失效或者工作狀態(tài)發(fā)生改變，影響電子設(shè)備的可靠運(yùn)行 5?；诠P者所在單位承擔(dān)的大量航天工程任務(wù)中關(guān)鍵部位均使用了 8051微控制器，本文根據(jù)航天電子設(shè)計(jì)的要求對(duì)一款8051IP軟核進(jìn)行了修改，以適應(yīng)航天設(shè)備的需要。

　　1 mc8051IP核介紹

　　IP（Intellectual Property)原意指知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在 IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域則是指預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)某種功能的模塊。IP核(IP模塊)則是指完成某種功能的虛擬電路模塊，也稱之為虛擬部件。

　　根據(jù) IP的提供方式通常把 IP核分為硬 IP(硬核 Hard Core)、軟 IP(軟核 Soft Core)和固 IP(固核 Firm Core )。

　　硬核是針對(duì)某個(gè)特定工藝的一套物理版圖，電路布局布線和工藝是確定的，已經(jīng)過(guò)樣品電路的驗(yàn)證。硬核的優(yōu)點(diǎn)是它的高速度和安全性，但由于依賴特定的工藝，所以缺少靈活性。

　　軟核是用硬件描述語(yǔ)言(Verilog HDL或 VHDL)的形式描述功能塊的行為，但是并不涉及用什么電路和電路元件實(shí)現(xiàn)這些行為。軟核具有的特點(diǎn)是可以根據(jù)用戶需要靈活的進(jìn)行修改定制。

　　固核是一種介于軟核和硬核之間的 IP核，通常以 RTL代碼和對(duì)應(yīng)具體工程網(wǎng)表的混合形式提供。固核是完成了綜合的功能塊，有較大的設(shè)計(jì)深度，通常以網(wǎng)表的形式提交客戶。

　　mc8051IPcore是 Oreganosystems公司提供的一個(gè)應(yīng)用廣泛的開(kāi)源 8051IP軟核。

　　它由算術(shù)運(yùn)算單元，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，串口，內(nèi)部 ram，外部 ram及 rom組成。mc8051_alu為運(yùn)算單元，由加法器，乘法器，除法器等基本運(yùn)算單元組成。mc8051_control為 mc8051的控制通路。包括有特殊寄存器，譯碼單元，多路選擇器，中斷及指令狀態(tài)機(jī)等基本功能。2抗單粒子可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)

　　可靠性設(shè)計(jì)的基本原理是冗余，包括信息冗余，時(shí)間冗余等。目前抗單粒子效應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)中應(yīng)用最廣的技術(shù)有三模冗余(Triple Modular Redundance ，TMR),檢錯(cuò)糾錯(cuò)（Error Detection And Correction ,EDAC） 1基于軟件的控制流檢測(cè)

　　2。本文主要采用前2種可靠性設(shè)計(jì)方法。

　　2.1 三模冗余（TMR）介紹

　　三模冗余是指將目標(biāo)部件復(fù)制相成同的三個(gè)目標(biāo)部件來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)部件的功能，三個(gè)目標(biāo)部件最終將通過(guò)一個(gè)判決器來(lái)判斷目標(biāo)部件的正確狀態(tài)。它利用的是相同一組部件同時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤概率較小的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠性的提高。

　　TMR可用于各種IP設(shè)計(jì)的各階段，既可以在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行冗余，也可以是局部冗余。