FPGA塊存儲(chǔ)器的多位翻轉(zhuǎn)容錯(cuò)設(shè)計(jì)

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 1000492.中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，成都 610209 )

0 引言

為了滿足不斷增長(zhǎng)的性能和功率需求，F(xiàn)PGA制造技術(shù)流程需不斷演變，采用先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)制造，這使得FPGA組件尺寸不斷縮小形成高邏輯密度器件。在這么小的幾何結(jié)構(gòu)器件中，太空環(huán)境單個(gè)輻射粒子撞擊器件所引發(fā)的單粒子翻轉(zhuǎn)(single error upset，SEU)效應(yīng)已不限于單比特翻轉(zhuǎn)(single bit upset，SEU)事件，單粒子撞擊甚至?xí)?dǎo)致存儲(chǔ)器陣列的多個(gè)相鄰位的翻轉(zhuǎn)，即多比特翻轉(zhuǎn)(multiple bit upset，MBU)事件[1]。器件物理尺寸的減小還會(huì)導(dǎo)致電源和閾值電壓的比例下降[2]，導(dǎo)致FPGA器件受太空輻射影響的概率不斷增大，進(jìn)一步導(dǎo)致FPGA存儲(chǔ)單元發(fā)生SEU的概率增加。

FPGA的存儲(chǔ)資源主要有配置存儲(chǔ)器和用戶設(shè)計(jì)中的存儲(chǔ)單元組如：BRAM、DRAM、觸發(fā)器等構(gòu)成。BRAM作為FPGA的第二大內(nèi)存，提供了大量的高容量存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)用戶設(shè)計(jì)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)的隨機(jī)存儲(chǔ)。一旦BRAM發(fā)生翻轉(zhuǎn)故障，會(huì)導(dǎo)致FPGA邏輯電路發(fā)生異常，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致電路失效。因此本文主要針對(duì)BRAM進(jìn)行抗SEU防護(hù)。

1 FPGA的MBU事件

FPGA緩解SEU的防護(hù)可從工藝、版圖設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等不同層面進(jìn)行，但工藝和版圖設(shè)計(jì)代價(jià)昂貴且設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，目前的抗輻射加固主要是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面上進(jìn)行。緩解SEU最常用的系統(tǒng)容錯(cuò)方案是采用具有單比特糾錯(cuò)和雙比特檢錯(cuò)(SEC-DED)的漢明碼技術(shù)。但是，隨著制造工藝節(jié)點(diǎn)的減小使得太空輻射環(huán)境中FPGA的MBU成為高發(fā)事件。在采用的 45 納米技術(shù)中， MBU 事件占FPGA軟錯(cuò)誤的概率高達(dá)48.28%[1]，而且對(duì)于更小的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，該比率也相對(duì)變高[3]。傳統(tǒng)的SEC-DED技術(shù)已無法滿足FPGA存儲(chǔ)器糾正多位錯(cuò)誤的需求。MBU的發(fā)生主要有單粒子撞擊造成的多位翻轉(zhuǎn) ( single event multiple upset，SEMU) 和一位翻轉(zhuǎn)的積累這兩種形式，后者的消除通過縮短系統(tǒng)的整個(gè)刷新時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)，因此，目前討論的多比特翻轉(zhuǎn)多指SEMU。它是由單個(gè)高能粒子以某種入射角擊中存儲(chǔ)器的敏感區(qū)造成相鄰存儲(chǔ)單元的多個(gè)瞬時(shí)錯(cuò)誤[4-5]，也稱之為多比特突發(fā)錯(cuò)誤( burst error，BE)。

為了能夠糾正MBU軟錯(cuò)誤，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種設(shè)計(jì)方案，文獻(xiàn)[6]采用2-D海明碼校正配置存儲(chǔ)器的多位翻轉(zhuǎn)，可用性超過99.9999999%。文獻(xiàn)[2]采用InD 奇偶校驗(yàn)編碼來檢測(cè)配置存儲(chǔ)器的MBU，利用糾刪碼技術(shù)重建碼字實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)，能檢測(cè)100%MBU，且資源占用率僅為3.3%。文獻(xiàn)[7]將多個(gè)存儲(chǔ)器交錯(cuò)排列成陣列，把單個(gè)碼字分散到多個(gè)存儲(chǔ)器，從而使單個(gè)存儲(chǔ)器上產(chǎn)生的邏輯相鄰的多位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤分散到不同碼字，使用傳統(tǒng)的 SEC-DED 方法即可進(jìn)行糾錯(cuò)，但是這樣需要大量的硬件資源。文獻(xiàn)[8]基于信息和硬件冗余的組合，提出一種奇偶校驗(yàn)字節(jié)和復(fù)制(Parity per Byte and Duplication，PBU)的EDAC技術(shù)，將每個(gè)存儲(chǔ)字分成字節(jié)段，奇偶校驗(yàn)位與每個(gè)段相關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)多位糾錯(cuò)，使用的存儲(chǔ)塊僅占3.85%。在國(guó)內(nèi)，文獻(xiàn)[9]提出一種改進(jìn)型的(14,8)循環(huán)碼實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器MBU的糾錯(cuò)檢錯(cuò)，代碼易于實(shí)現(xiàn)，且實(shí)時(shí)性高。文獻(xiàn)[10]提出一種位交錯(cuò)技術(shù)，將它與漢明碼結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器MBU的99.82%糾錯(cuò)。文獻(xiàn)[11]通過將兩個(gè)能糾正一位隨機(jī)錯(cuò)誤和二位突發(fā)錯(cuò)誤的(13,8)系統(tǒng)碼結(jié)合，交織度為2的(26,16)交織碼，實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)器的多位翻轉(zhuǎn)糾錯(cuò)。諸如其它糾錯(cuò)能力強(qiáng)的錯(cuò)誤檢查和糾正(error correcting code，ECC)碼，比如BCH( Bose Chaudhuri Hocquenghem)碼、RS( Reed-Solomon) 碼、矩陣碼等，具有速度和時(shí)滯的缺點(diǎn)。

本文使用RM(Reed-Muller)碼來進(jìn)行多位翻轉(zhuǎn)糾錯(cuò)，它是最老的錯(cuò)誤糾正線性碼之一[12]，所實(shí)現(xiàn)的RM(2,5)碼構(gòu)造簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)特性豐富，占用資源少，可實(shí)現(xiàn)少于4位的翻轉(zhuǎn)糾錯(cuò)，而且具有低時(shí)滯和高性能的特點(diǎn)。通過對(duì)編碼系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析，利用故障注入進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)，從理論分析和硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明該編碼可提高FPGA BRAM的可靠性。

2 RM碼的原理

RM編碼與其他糾錯(cuò)檢錯(cuò)碼一樣，均需要經(jīng)過編碼和譯碼兩個(gè)過程。

2.1 RM(2,5)編碼

對(duì)于任意整數(shù)m和r，0 ≤r≤m存在一個(gè)二進(jìn)制碼長(zhǎng)為2m的r階 RM 碼，記為 RM(r,m)，其主要參數(shù)由三部分[13]：

碼長(zhǎng)：n=2m

(1)

(2)

最小碼距：dmin=2m-r

(3)

t=(dmin-1)/2=3[13]

設(shè)信息碼為m=(m15,m14,…,m0)，生成矩陣為G，則R(2,5)碼的編碼生成的編碼字C為：

C=m×G

(4)

RM(2,5)碼共有5個(gè)變量：X1、X2、X3、X4、X5，它可以糾正大多數(shù)的三位隨機(jī)翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，其生成矩陣定義為G=(1,G1,G2)[14]。其中：

G1=(X1,X2,X3,X4,X5,)T

G2=(X1X2,X1X3,X1X4,X1X5,X2X3,X2X4,

X2X5,X3X4,X3X5,X4X5)

2.2 RM(2,5)譯碼

RM(r, m)為正交結(jié)構(gòu)，因此譯碼通常采用大數(shù)邏輯譯碼(majority logic decoder，MLD)，整個(gè)譯碼過程由3個(gè)階段構(gòu)成[15]。

第一階段先譯碼出10個(gè)信息位(m9,…,m0)，而且每個(gè)信息位都由8位校驗(yàn)和來確定，以m9為例：

(5)

其中:C′為譯碼器接所收到的編碼字，通過對(duì)8位校驗(yàn)和進(jìn)行多數(shù)表決決定該譯碼信息位是0還是1，即：分別比較0和1的個(gè)數(shù)，若0的個(gè)數(shù)多，則該信息位為0，否則為1；若0和1的個(gè)數(shù)相等，則表示為發(fā)生4位錯(cuò)誤，為未知信息位，無法進(jìn)行正確譯碼。

第二階段的譯碼需要生成16位中間碼字C″，由公式(6)計(jì)算得到，該中間字的值跟第一階段譯碼的信息位相關(guān)。該階段譯碼出5個(gè)信息位(m14,…,m10),每個(gè)信息由16個(gè)校驗(yàn)和進(jìn)行多數(shù)表決確實(shí)，式(7)給出m14的16位校驗(yàn)和計(jì)算公式。

C″=C′-[m9…m0]G2

(6)

(7)

第三階段譯碼出最后一位信息位m15，該信息位的譯碼需要生成32位中間碼字C?，由公式(8)計(jì)算得到。該階段無需生成校驗(yàn)和，可直接對(duì)C?進(jìn)行多數(shù)表決得到m15。同時(shí)C?也指示了BRAM數(shù)據(jù)的具體翻轉(zhuǎn)位置，若無翻轉(zhuǎn)故障發(fā)生，C?的所有位全為‘0’或者‘1’，發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，若1的個(gè)數(shù)大于0的個(gè)數(shù)，則不為‘1’的那幾位所在的位置即為數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位；相反，若0的個(gè)數(shù)多，則不為‘0’的那幾位所在位置即為數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)位。

C?=C″[m14…m10]G1

(8)

至此，經(jīng)過3個(gè)階段的譯碼，譯碼器將接收到的32位編碼字譯碼成16位信息位，并完成糾錯(cuò)檢錯(cuò)。RM(2,5)碼譯碼思想總結(jié)為：

(1)在RM(2,5)編碼矩陣的每行找到2m-r=8個(gè)特征矢量，將其與接收到的碼字C進(jìn)行點(diǎn)乘得到8位校驗(yàn)和。

(2) 將每個(gè)譯碼位所得的校驗(yàn)和0和1的個(gè)數(shù)進(jìn)行判斷，若0的個(gè)數(shù)多，則該譯碼位為0，否則為1。

(3) 將(2)中得到的譯碼位與生成矩陣G2相乘，用接收到的碼字C′減去相乘結(jié)果得到新的碼字C″，在C″找到新的特征矢量求出16位校驗(yàn)和，重復(fù)(2)。

(4) 將(2)中得到的譯碼位與G1相乘，用C″減去相乘結(jié)果得到新的碼字C?，重復(fù)(2)。

(5) 將(2)(3)(4)中得到的所有譯碼信息位進(jìn)行整合輸出。

3 BRAM防護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

Xilinx Virtex-5 FPGA的BRAM其內(nèi)嵌有可實(shí)現(xiàn)SEC-DED的漢明碼，用于緩解SEU的SBU效應(yīng)，一旦發(fā)生MBU，內(nèi)嵌的漢明碼防護(hù)無法起到防護(hù)作用。常用的解決方案有：對(duì)BRAM進(jìn)行TMR，屏蔽單個(gè)存儲(chǔ)器的SEU事件；或者為BRAM提供具有糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的ECC防護(hù)，在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)前進(jìn)行編碼防護(hù)，讀取數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行譯碼修復(fù)。

3.1 故障注入

FPGA常用的可靠性評(píng)估方法主要為輻射實(shí)驗(yàn)和故障注入。輻射實(shí)驗(yàn)使用粒子加速器提供的各種粒子來源以模擬太空輻射環(huán)境，通過對(duì)目標(biāo)器件進(jìn)行照射實(shí)現(xiàn)。該方法可以得到較為真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是目前國(guó)內(nèi)能提供實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)備不多，而且實(shí)現(xiàn)操作復(fù)雜、器件價(jià)格昂貴并且實(shí)驗(yàn)周期過長(zhǎng)。

故障注入技術(shù)通過對(duì)待測(cè)電路模塊進(jìn)行定點(diǎn)或者隨機(jī)的故障注入，通過觀察分析模塊電路的輸出結(jié)果，可得到被測(cè)模塊電路的可靠性評(píng)估結(jié)果。該技術(shù)可以彌補(bǔ)輻射實(shí)驗(yàn)的不足，且成本低、操作簡(jiǎn)便，已成為FPGA評(píng)估單粒子效應(yīng)的一種重要方法。本文通過對(duì)BRAM存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)故障注入，進(jìn)行0/1翻轉(zhuǎn)，驗(yàn)證RM碼防護(hù)時(shí)BRAM的可靠性。

3.2 BRAM的TMR防護(hù)

TMR是一種易于實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)冗余防護(hù)方法，將電路模塊進(jìn)行三備份，最終通過表決器進(jìn)行3取2的表決輸出，達(dá)到屏蔽單個(gè)電路模塊失效的故障[16]。由于在同一時(shí)刻，3個(gè)模塊均發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)事件的概率較低，且電路實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于緩解SEU。因此，對(duì)BRAM進(jìn)行三模冗余可提高存儲(chǔ)器的可靠性。

盡管TMR易于實(shí)現(xiàn)，有效緩解SEU，且提高BRAM的可靠性，但其也存在以下缺陷[17]：

1)只能對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行屏蔽不能進(jìn)行糾錯(cuò)。單個(gè)模塊發(fā)生故障后，只能將其屏蔽，由于不具備糾錯(cuò)功能，且翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤的累積，最終會(huì)導(dǎo)致TMR防護(hù)失效，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。

2)盡管多個(gè)模塊同時(shí)發(fā)生SEU的概率較低，但仍有可能發(fā)生，對(duì)系統(tǒng)可靠性來說是一個(gè)較大的威脅。

3)BRAM的TMR防護(hù)導(dǎo)致硬件資源開銷增大，其資源利用率在大型設(shè)計(jì)中較低，且布線資源會(huì)增加系統(tǒng)的延遲。

4)表決器本身不具備抗輻射的能力，也可能發(fā)生SEU事件，導(dǎo)致表決出錯(cuò)。

因此，單純的對(duì)BRAM進(jìn)行TMR防護(hù)，在一定程度生可有效緩解SEU，提高系統(tǒng)的可靠性，但隨著時(shí)間的推移，未及時(shí)修復(fù)的故障會(huì)積累，TMR的可靠性也會(huì)下降。

3.3 BRAM的RM(2,5)碼防護(hù)

使用糾錯(cuò)能力更強(qiáng)的ECC碼進(jìn)行防護(hù)，可節(jié)省硬件資源開銷，提高資源的利用率。RM(2,5)碼對(duì)BRAM的防護(hù)原理如圖1所示，數(shù)據(jù)處理單元控制BRAM的讀寫以及故障注入，RM(2,5)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的編譯碼故障注入模塊實(shí)現(xiàn)故障模擬。

數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出寫操作指令時(shí)，16位原始數(shù)據(jù)通過encin端口送入編碼器，編碼器進(jìn)行編碼后將32位編碼字由encout端口寫入BRAM；當(dāng)數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出讀操作指令時(shí)，BRAM中的32位數(shù)據(jù)先從decin端口輸入到譯碼器進(jìn)行解碼，如果塊存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)發(fā)生翻轉(zhuǎn)故障，解碼器能夠?qū)ΨD(zhuǎn)的數(shù)據(jù)位進(jìn)行糾正。故障注入模塊用來進(jìn)行故障注入測(cè)試，根據(jù)處理器單元提供的注入地址從BRAM中讀取相應(yīng)的字對(duì)其進(jìn)行0/1翻轉(zhuǎn)，并將翻轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)重寫回BRAM，模擬BRAM發(fā)生翻轉(zhuǎn)故障的狀態(tài)。error指示故障狀態(tài)，error輸出“00”表示無故障發(fā)生，“01”表示檢測(cè)到一位、兩位或者3位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，并進(jìn)行了修復(fù)，“10”表示檢測(cè)到四位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，無法進(jìn)行修復(fù)， “11”表示檢測(cè)到無效位錯(cuò)誤。

圖1 BRAM的防護(hù)原理

RM(2,5)編譯碼原理圖如圖2所示。存入數(shù)據(jù)時(shí)，16位原始信息碼M(15:0)從encin端口進(jìn)入編碼器與32位生成矩陣G進(jìn)行異或運(yùn)算，得到的32位編碼字存入BRAM中。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，從BRAM讀取的32位譯碼數(shù)據(jù)從decin端口進(jìn)入譯碼器，第一階段譯碼出M(9:0)，第二階段譯碼出M(14:10)，第三階段譯碼出M15，最后從decout端口輸出16位譯碼字，譯碼過程中同時(shí)修復(fù)存儲(chǔ)器中的最多3位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，同時(shí)指示了錯(cuò)誤發(fā)生的位置，以及錯(cuò)誤發(fā)生的位數(shù)，譯碼結(jié)果輸出到處理器。

圖2 RM(2,5)碼編譯原理圖

3.4 編碼系統(tǒng)的三模冗余設(shè)計(jì)

由RM(2,5)碼組成的EDAC電路，并不具備抗輻射的能力，在太空輻照環(huán)境中，編譯碼電路也可能發(fā)生SEU事件，導(dǎo)致在編碼和譯碼過程中出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)故障，無論是編碼數(shù)據(jù)還是譯碼數(shù)據(jù)均會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此通過將TMR與EDAC相結(jié)合，屏蔽單個(gè)編譯碼電路模塊的故障，可有效避免EDAC電路的SEU事件，提高系統(tǒng)的可靠性。其原理框圖如圖3所示，將編碼器和譯碼器分別進(jìn)行三備份，數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)入3個(gè)模塊，通過表決器進(jìn)行3取2表決輸出，提高了EDAC的可靠性。

圖3 EDAC的TMR框圖

4 可靠性與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過理論分析對(duì)比不同條件下BRAM的可靠性以及RM(2,5)防護(hù)系統(tǒng)的資源利用率，最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明RM(2,5)碼可實(shí)現(xiàn)小于4位的翻轉(zhuǎn)修復(fù)。

4.1 RM(2,5)碼可靠性分析

FPGA 塊存儲(chǔ)器單元未進(jìn)行容錯(cuò)設(shè)計(jì)時(shí)其可靠性基本服從泊松分布[18]，即假設(shè)每個(gè)BRAM單元發(fā)生SEU的概率為，在時(shí)間t內(nèi)未發(fā)生SEU的概率為：

P(t)=e-λt

(9)

假設(shè)一個(gè)存儲(chǔ)大小為m的BRAM其輸入輸出位寬為n，則它在時(shí)間t內(nèi)發(fā)生i位翻轉(zhuǎn)的概率為：

(10)

其中：i=0,1,2,3。RM(2,5)碼能糾正單個(gè)碼字中的3位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，因此，在時(shí)間t內(nèi)BRAM的可靠性為:

(11)

其中：i=0,1,2,3。在NASA提供的試驗(yàn)用粒子束條件下測(cè)得每個(gè)BRAM單元發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的概率λ=1.1×10-6b/d[19]。圖4是存儲(chǔ)器大小分別為m=512 byte和m=1 024 byte下，在無防護(hù)、(12,8)漢明碼防護(hù)和RM(2,5)碼防護(hù)3種條件下由MATLAB計(jì)算得到的可靠性對(duì)比。其中R0(t)是無防護(hù)時(shí)的可靠性曲線，R1(t) 是(12,8)漢明碼防護(hù)下的可靠性曲線,R2(t)是RM(2,5)碼防護(hù)下的可靠性曲線。由圖可見，在相同存儲(chǔ)器大小下，RM(2,5)碼的可靠性明顯更優(yōu)；在相同的防護(hù)條件下，容量小的存儲(chǔ)器具有更高的可靠性。

圖4 可靠性對(duì)比

4.2 資源分析

本文設(shè)計(jì)的RM(2,5)碼防護(hù)系統(tǒng)利用Xilinx ISE14.7 設(shè)計(jì)工具在Virtex5 FPGA(xc5vfx70t) 上用VHDL實(shí)現(xiàn)，工作時(shí)鐘頻率為50 MHz。譯碼器和編碼器主要是采用組合邏輯方式實(shí)現(xiàn)，整個(gè)編碼系統(tǒng)的延遲由所占用的異或邏輯數(shù)量決定，編譯綜合后得到編碼器模塊LUT利用率約為0.107%，譯碼器模塊LUT利用率約為1.12%，實(shí)現(xiàn)后整個(gè)編碼模塊的延遲為4.456 ns。RM(2,5)編譯碼模塊三模冗余后，其硬件資源約為原始的三倍左右，如表1所示。

表1 RM編譯碼模塊資源 %

4.3 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)前對(duì)該防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)注入故障的仿真測(cè)試，分別對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行1位、2位以及3位的翻轉(zhuǎn)。仿真結(jié)果表明可糾正不少于3位的翻轉(zhuǎn)故障。仿真結(jié)果如圖5所示。故障注入模塊inf_error(2:0)端口對(duì)BRAM進(jìn)行3位隨機(jī)翻轉(zhuǎn)，可以看到經(jīng)過譯碼器修復(fù)后，error端口輸出1，3位翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤被修復(fù)。

圖5 仿真結(jié)果

經(jīng)過仿真驗(yàn)證后，初步驗(yàn)證了該防護(hù)可修復(fù)不少于3位的翻轉(zhuǎn)，進(jìn)一步利用FPGA內(nèi)部ICAP接口將配置RAM的配置幀內(nèi)容回讀寫入BRAM作為原始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。Virtex-5每個(gè)配置幀大小為41×32位，所設(shè)計(jì)的RM(2,5)編碼系統(tǒng)其編碼輸入寬度為16位，通過將其級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)32位的輸入。本實(shí)驗(yàn)采用單端口的BRAM，存儲(chǔ)寬度為64位，深度為41。使用Xilinx ISE14.7開發(fā)工具套件提供的ChipScopeTMPro工具抓取讀取BRAM數(shù)據(jù)時(shí)的信號(hào)波形圖，觀察其存入BRAM的數(shù)據(jù)、故障注入后的數(shù)據(jù)以及糾錯(cuò)后的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相同。

圖6(a)為BRAM寫入數(shù)據(jù)的波形圖，當(dāng)ICAP回讀計(jì)數(shù)器rb_cmd_cnt計(jì)數(shù)到71時(shí)，BRAM地址addra 從0加到1開始寫入數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)首先從encin端口進(jìn)入編碼器進(jìn)行編碼，編碼字落后1個(gè)時(shí)鐘由dina端口存入BRAM中。

圖6(b)顯示了故障注入的過程。翻轉(zhuǎn)信號(hào)start_flip_bit在時(shí)鐘上升沿處拉高，表示開始從BRAM 的douta端口讀取地址07，對(duì)位地址為25～27的3 位數(shù)據(jù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，圖中可以看到相應(yīng)的位25～27由“0”變?yōu)椤癊”，翻轉(zhuǎn)結(jié)束后通過dina端口將數(shù)據(jù)寫回BRAM中，flip_start_done拉高表示一輪故障注入結(jié)束 。

圖6(c)是數(shù)據(jù)處理單元從BRAM讀取數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)三位糾錯(cuò)的過程，當(dāng)ICAP寫計(jì)數(shù)器wf_cmd_cnt計(jì)數(shù)到21時(shí)，BRAM的douta端口開始輸出數(shù)據(jù)，先進(jìn)入譯碼器進(jìn)行譯碼，當(dāng)wf_cmd_cnt計(jì)數(shù)為37時(shí)，可以看到，譯碼器decout端口輸出的數(shù)據(jù)為正常數(shù)據(jù)，翻轉(zhuǎn)的三位被修復(fù)。

圖6 實(shí)驗(yàn)分析

經(jīng)過仿真驗(yàn)證以及實(shí)物驗(yàn)證，均證明RM(2,5)碼可修復(fù)BRAM中發(fā)生的不少于三位的翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，有效提高FPGA塊存儲(chǔ)器的可靠性。

5 結(jié)束語

輻射誘發(fā)的MBU是FPGA的一個(gè)嚴(yán)重的可靠性問題，器件晶體管的減少、集成度的提高，使得FPGA的MBU概率變高。BRAM作為FPGA的第二大內(nèi)存，一旦發(fā)生MBU，其設(shè)置的SEC-DED防護(hù)將會(huì)失效，造成所存儲(chǔ)的用戶數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而引發(fā)電路邏輯故障。

本文利用RM(2,5)碼對(duì)FPGA的BRAM進(jìn)行了EDAC防護(hù)，理論分析了防護(hù)系統(tǒng)的可靠性，并且通過仿真和實(shí)物測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器不少于3位翻轉(zhuǎn)故障的修復(fù)，驗(yàn)證了RM(2,5)碼組成的防護(hù)系統(tǒng)的有效性和可靠性。將TMR與EDAC模塊相結(jié)合，提高了EDAC模塊的可靠性，相比較傳統(tǒng)的漢明碼技術(shù)，具有更好的防護(hù)效果，該防護(hù)系統(tǒng)可靈活應(yīng)用于寄存器和存儲(chǔ)器的防護(hù)中。下一步，將繼續(xù)研究FPGA配置存儲(chǔ)器配置幀的MBU修復(fù)，將用RM(2,5)防護(hù)的BRAM的來存取配置幀的配置數(shù)據(jù)，保證在整個(gè)配置幀的重配置中配置數(shù)據(jù)的可靠性。