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摘要:本文以星載測控系統為背景，提出了一種基于 Actel Flash FPGA的高可靠設計方案。采用不易發生單粒子翻轉的 flash FPGA芯片，結合 FPGA內部的改進型三模冗余、分區設計和降級重構，實現了高實時、高可靠的系統。 2 引言 在復雜的空間環境中存在各種高能粒子和宇宙射線，星載系統的電子器件容易發生單粒子翻轉等錯誤，造成整個系統的崩潰。對于星載系統而言，可靠性是非常重要的一項性能指標。在系統研制時，必須保證系統在局部出現故障時屏蔽和容忍錯誤，把錯誤造成的損失降到昀低。比較常用的可靠性措施包括選用抗擾等級高的元器件和適當的屏蔽設計等，但是這些措施都無法絕對預防永久性故障的發生，為了滿足衛星可靠性的要求必須進行冗余設計。 本文中的設計就采用 Flash型 FPGA取代了 SRAM型 FPGA，前者在結構上的特點決定了它不容易發生單粒子翻轉等錯誤，從而在固件上提高了可靠性。同時采用了改進型的 TMR冗余設計，在保障可靠性的同時也兼顧了實時性。 3 基本思想和系統實現 3.1 Flash型 FPGA概述目前廣泛用于電子產品的 FPGA（Field－Programmable Gate Array,現場可編程門陣列）主要有反熔絲型、SRAM型和 Flash型三種。反熔絲型 FPGA利用熔絲點的通斷來存儲編程信息，只能燒寫一次，可靠性很高，但是同時開發成本也很高，一般只在成熟正品中使用。 SRAM型 FPGA使用非常廣泛，它的可編程單元是六管結構，編程信息是保存在附加的 PROM里的，每次上電時從 PROM中加載到 FPGA中，斷電后編程內容消失。在航天應用中，SRAM型 FPGA昀大的缺點是容易發生單粒子翻轉(Single Event Upset, SEU），以及上電加載過程中容易產生錯誤指令。 Flash型 FPGA的可編程單元是兩個三極管組成的 flash開關，其中一個只在編程時起傳感器作用，另一個控制開關的通斷，兩個管子共享的浮柵門存儲了編程信息。 Flash型 FPGA無需附加 PROM，上電時間也很短，另外 flash相比于 SRAM不容易出現單粒子翻轉，因此 Flash型 FPGA很適合航天應用。 本文中的遙控系統采用 Actel公司的 ProASIC plus系列的 APA300芯片。 3.2 系統描述 本文主要實現了高可靠遙控系統中將地面和星載計算機發送的串行碼字譯碼成對應通道指令脈沖的功能，全部功能在一塊 FPGA中實現。遙控電路板上采用兩塊相同的 FPGA進行雙機熱備份，通過 54LVC244選擇輸出。每塊 FPGA內部又采用了下面描述的改進型 TMR設計。該系統完成了遙控譯碼的功能，各指令響應正常。 本文重點介紹 FPGA片內的改進型 TMR冗余設計。 3.3 改進型 TMR設計 三模冗余（TMR）是一種常用的容錯技術，把需要容錯的部分復制三份，然后由表決器根據多數表決原則輸出結果。TMR屬于靜態冗余技術，它能夠掩蓋 1個子系統的錯誤，而不能修復錯誤。當 2個或 2個以上的子系統出錯，或者表決器出錯時，TMR系統將輸出錯誤的結果。TMR技術的優點是簡單易行，對于瞬時出現的錯誤具有良好的容錯效果，但是代價是付出了 3倍的面積開銷。 本文設計中采用的改進型 TMR，實質上是一種 3+n模冗余，N個子系統中昀多只有三個子系統同時處于運行狀態，其余的 N-3個子系統作為備份隊列，當某個子系統出現錯誤時，表決模塊用備份的子系統替換下錯誤的子系統，繼續維持 TMR結構。當已無備份可用時， 3模冗余系統可以進行降級重構，由 3模冗余降級為 1模。由于延長了三模冗余系統的工作時間，整個系統的可靠性得到了很大提高。 考慮到資源消耗與可靠性提高的平衡，本文設計中采用了 3+1模結構，也就是 3模冗余， 1模備份。3+1模結構的工作方式為：正常時進行三模冗余表決輸出，出現第 1次永久性故障時表決處理模塊能夠檢測出錯誤，在輸出正常信號的同時用備用子系統替換故障子系統，繼續維持 TMR結構；出現第 2 次永久故障時，表決處理模塊仍然能夠檢測出錯誤，在輸出正常信號的同時切除故障子系統，自動降級為單模工作直至單模子系統完全損壞。這種 3+1模結構借鑒了軟件容錯中的恢復塊技術和動態冗余結構，能夠容忍至少 2個子系統錯誤。由于 APA300實現遙控系統資源余量較大，采用了單片 FPGA片內冗余的方案，進一步簡化了系統的復雜度。 3+1模結構的狀態轉移圖如下， TMR、SMR和 Failure三個狀態分別代表三模冗余、單模工作和系統失效。 在設計中，通過冗余單元的互鎖機制(Inter-Lock, IL)來防止錯誤數據通過冗余單元邊界傳播，為此采用了分區約束的方法進行布局布線設計。分區設計不僅能夠隔離錯誤，而且可以充分利用 APA300的 Spine分布，減少路徑延遲。 在用戶約束文件 GCF文件中作如下約束： 這四條語句把 U1"U4四個子系統分別限制在一個 spine內，除了全局時鐘線和輸入輸出線以外，子系統之間沒有直接的連接，這樣分區布局布線以后就能夠有效地隔離錯誤。 在保證可靠性的同時，3+1模設計昀大程度的保證了輸出的實時性，不需要經過關機等待周期、重發指令周期或者輸出不確定周期，能夠連續輸出正確結果直到系統完全倒向錯誤狀態。為了避免系統重構時過快降級，考慮到很多錯誤是瞬時出現又隨即恢復的軟錯誤，因此設定錯誤出現一定次數（例如 3次）以后才去掉故障模塊。 對于 3+1模結構，可靠性提高的代價是付出了 4倍的資源開銷，另外輸出時間延遲會略有增加，因為關鍵路徑上的表決器增加了判斷、替換的邏輯單元。因此這種結構只適用于資源充裕、系統頻率不高的場合。在空間應用系統中，工作速度往往不是昀重要的，因而 3+1模結構實質上是用速度換面積（可靠性），在資源不足的情況下可以只對關鍵模塊、錯誤敏感率高的模塊進行冗余，以節省資源。 4 系統可靠性分析 假設單機的可靠性為（運行 5年后） , 普通 TMR和本文中改進型 TMR的可靠性分別為。由于 2個以上子系統同時發生錯誤的概率很小，假定同一時刻昀多只有一個子系統發生錯誤。 TMR可以容忍 1個子系統錯誤，可靠性相當于 3個子系統都正常的可靠性加上某一個子系統錯誤、其它兩個子系統正常的可靠性： 同理，改進型 TMR的可靠性相當于以下三種情況的可靠性之和： 1）4個子系統都正常 2）1個子系統錯誤，其它 3個子系統正常 3）2個子系統錯誤，其它 2個子系統正常 取一系列的 R0值（0≤R0≤1），按（1）（2）兩式計算出 RTMR和 RTMR+1如下表 1： 由表 1可以看出， 3+1模結構的可靠性遠高于 3模冗余和單模工作，特別是在子模塊可靠性降低的情況下提高可靠性的效果更為顯著。 5 結論 本文提出了一種基于 Flash型 FPGA的高可靠系統解決方案，改進型的 TMR冗余利用片內備份的子系統替換出錯的系統，能夠長期維持 TMR系統，有效地提高可靠性。本文所述思想同樣適用于多芯片 /多機情況下的冗余方案。本系統即將應用于某航天型號設備中，經過初步聯試證明本系統能夠滿足可靠性和性能的要求。 本文作者創新點：1、將 Flash FPGA用于星載測控系統，提高了固件可靠性；2、改進型 TMR（3+1模冗余）改善了三模冗余的不足，延長了系統使用時間，大大提高了系統的可靠性。 |
