基于FPGA的星载计算机自检EDAC电路设计

摘要：为了消除空间环境中单粒子翻转(SEU)的影响,目前星载计算机中均对RAM存储单元采用检错纠错(EDAC)设计。随着FPGA在航天领域的广泛应用,FPGA已成为EDAC功能实现的最佳硬件手段。本文介绍了EDAC的编码和实现,提出一种功能完善的、具有自检、自纠错功能的EDAC电路设计,并采用仿真工具对该EDAC电路的功能进行了验证。

1 引言

随着人类对空间探索的深入，空间环境对空间飞行器的电子设备和器件的影响逐渐显现 出来。空间辐射效应，特别是单粒子效应，对空间任务的完成具有潜在的巨大危害。星载计 算机是卫星的核心部件，在空间辐照环境下，必须充分考虑单粒子翻转现象对星载计算机程 控功能的破坏或影响。针对该问题， 目前普遍采用纠错检错(EDAC)设计对星载计算机的RAM 存储单元进行纠错检错处理来消除SEU故障。

EDAC功能可采用硬件和软件两种手段来实现。采用软件手段实现，需要在读写RAM存储 单元时，对存储数据和冗余信息进行计算，因而要占用大量的CPU时间。对于星载计算机而 言，由于CPU器件选型的局限，限制了CPU的性能，使CPU资源非常宝贵，因此目前普遍采用 的是硬件手段来实现EDAC功能。随着FPGA在通信信息特别是在航天领域的广泛应用，FPGA 已成为EDAC功能实现的最佳硬件手段。从目前可获得的资料看，近些年欧美发射的卫星均采 用了FPGA作为星载计算机的核心器件。

2 基于汉明码的传统EDAC设计

2.1汉明编码

目前有许多编码可以用来作为抗SEU的纠错码使用，汉明编码是最常用的EDAC编码，由 Hamming于1950年构造。这种编码可以进行检错和纠错，可以检测1比特和2比特错误，只能 纠正1比特错误，因此适用于单组数据中出现多个错误位概率较低的情况，这恰与SEU经常会 修改星上RAM存储单元1比特信息的情况相符。

汉明编码的实现增加的硬件资源主要是存储器单元，用来存储冗余数据，另外还增加了 编码和解码电路，参加编码和解码的异或门电路随着原始数据位数的增加而线性增加。在处 理性能方面，编码和解码造成一定的延时，增加了存储器的读写时间。

2.2传统的EDAC电路设计

传统的EDAC电路设计仅实现读写功能，基本原理框图如图1所示.写操作时，CPU将数据送入EDAC编码模块中，EDAC编码模块根据该数据生成校验码，并将原始数据和校验码分别写 入数据RAM和校验RAM中;读操作时，CPU将数据RAM和校验RAM中的数据取出，送入EDAC纠错模 块中，EDAC纠错模块将正确的数据送至CPU。这里EDAC编码纠错模块的硬件实现可以是专用 芯片，也可以采用通用的中小规模集成电路搭建。

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SEU造成的RAM单元1比特错误如果不定时清除，就会产生累积，使计算机由此处理的结 果产生出2比特甚至更多比特错误，这种情况下将无法采用EDAC功能进行数据纠错，导致系 统错误操作甚至任务失败。因此定时对RAM存储单元进行更新是必要的，但在传统EDAC电路 设计下，对RAM存储单元的更新只能由计算机的CPU（单片机）进行，其操作流程如下：

（1） 从存储单元读出数据；

（2） 将读出数据重写入；

（3） 重复（1）～（2），直至全部单元更新完。

以航天计算机常用的80C32单片机为例，CPU对外部存储单元的读或写操作需要2个指令 周期，读完再写入需要4个指令周期，每个指令周期包含12个时钟。假设CPU时钟为20MHz， 更新1M个RAM存储单元需要的CPU时间为：4×12×1M 20MHz = 2.4s。

对于星上非常紧张的CPU资源来说，这是难以接受的，大大增加了星上CPU软件的设计难 度。这种方法的另一个大的缺点是无法获得数据错误信息，因为CPU直接读取的是纠错后的 数据，所以无法对星上SEU造成RAM单元出错的概率和错误模式进行统计。

3 基于FPGA的自检EDAC设计

3.1 功能分析

由于FPGA的内部大量的逻辑资源，使EDAC电路设计可以实现更加复杂的功能。在星载计 算机中，为了提高效率并节省CPU资源，一个理想的EDAC电路设计，应具有以下三部分功能：

（1）数据读写功能。在CPU写操作时，对原始数据进行编码，生成校验码，并将原始数 据和校验码存储；在CPU读操作时，从存储器中取出原始数据和校验码，进行计算，如有错 误，将错误纠正后输出，如无错误，直接将原始数据输出。

（2）自检、自纠错功能。在CPU控制要求下，可自动对所有EDAC保护的RAM存储区进行 顺序读取和校验，检测出错误数据或校验码。在自检状态下，如果由CPU配置为自纠错状态， 当某一RAM单元检测出单比特错误后，自动将正确数据和校验码重新写入该RAM单元。该项功 能的实施，基本上可保证SEU对计算机RAM区造成的影响及时得到修复。

（3）错误信息处理功能。在CPU读操作或者自检状态下，通过输出错误标志信号，对CPU 产生中断，对产生的错误进行相应处理。在CPU读操作或者自检状态下，如果检测出错误， 将出错的地址、原始数据和校验码进行暂存，可由CPU读取，进行相应处理。

3.2 设计与实现

根据以上分析，笔者设计了如图2所示的自检EDAC电路，EDAC的功能主要由FPGA来实现。 到目前为止，具有航天等级的FPGA芯片已经具有内置的CPU硬核以及高达2.5Mbit的RAM资源， 因此该设计中的CPU和RAM模块均可以是FPGA内部资源，当内部资源无法满足设计要求时，也 可以采用外置CPU芯片或外置RAM芯片。

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在本设计中，我们采用外置的CPU芯片和内置的RAM单元，作为自检EDAC电路的硬件平台 （或环境、资源）。CPU芯片在这里起到的作用是启动EDAC自检，处理错误中断，向地面传 送错误信息，并根据地面要求对错误信息进行处理。

在该设计中，检测一个存储单元地址仅需要4个时钟周期，如果开启自纠错功能，并且 检测到单比特错误，再增加2个时钟周期用来纠错。因此如果时钟为20MHz，并且错误数据较 少，则更新1M个RAM存储单元需要的时间约为：4×1M 20MHz = 0.2s。

更重要的是，在这0.2s的时间里，仅在出现错误时需要向计算机产生中断，进行相应处 理，对地面进行错误报告，因而CPU处理时间很短，节省了宝贵的CPU资源。

3.3 仿真与验证

在空间环境下普遍存在的SEU，在地面环境下是很难获得的，为了在地面对该EDAC电路 设计进行验证，需要采取故障注入手段。由于在本例中RAM存储单元采用FPGA内部资源，因 此故障注入变得相对简单。在FPGA进行程序综合时，可将预先编制好的RAM存储单元初始化 文件一起综合。因此我们可在编制RAM存储单元初始化文件时，对某些比特位进行修改，以 模拟空间环境下SEU对RAM存储单元的影响。

在这里采用Xilinx公司的XQRV300为硬件载体，该型号FPGA芯片在航天领域内被广泛使 用。为节省仿真时间，数据RAM存储单元采用256*8bit,检验RAM存储单元采用25*bit。在 RAM存储单元初始化文件中，人工加入了12个单比特错误，以及1个两比特错误，如下表所示。

为仿真简便起见，向存储单元存放的正确数据与存储单元地址相同。

时钟选择为20MHz，通过采用ModelSim软件进行布线后仿真，我们可以得到图3所示结果。

图中： Clk — 系统时钟；

En — EDAC 模块使能控制；

Check — 自检启动/使能信号（信号上升沿触发一次巡检，信号为低暂停巡检）；

Rw_En — 自纠错使能信号（为高允许纠错）；

Err — 错误中断（标志）信号；

Rw — 自纠错标志信号（为高表示正在进行自纠错操作）；

MErr — 多比特错误中断（标志）信号；

Checking — 自检标志（为高表示尚未完成本次巡检操作）；

Err_Sum,Err_A,Err_D,Err_C — 错误计数,错误地址，原始数据，原始校验码；

D,A,Wr,Rd — 单片机数据、地址、写操作、读操作信号；

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从图中可以看出，启动EDAC自检后，EDAC开始巡检RAM存储单元，产生错误中断（标志） 信号，给出错误信息。当单片机需要处理中断时，将Check信号置‘0’，可暂时停止巡检， 此时单片机可对RAM存储单元进行正常读写操作。等中断处理完后，单片机将Check信号置 ‘1’，恢复RAM巡检操作。

另外可通过Rw_En的置‘0’或‘1’，来控制禁止或允许进行自纠错操作。

当出现可识别的多位错误时，产生Err和MErr两个错误中断（标志）信号，但由于汉明码仅能纠正单比特错误，因此不进行自纠错操作。

从原注入错误数据对应的地址读出数据，仿真输出结果如图4所示。

可以看出除最后一个地址（FFH）由于两位错仍输出错误外，其他地址输出数据均与地址相同，即为正确数据。

其中，24H、3CH、60H三个地址虽然输出正确数据，但仍报错，表明存储器内数据仍然 为错误数据，在输出时进行了纠错。这是由于在上次巡检到这部分地址空间时，通过把Rw_En 信号拉低，从而禁止了自动纠错，导致这三个地址错误数据未被纠正。而在对其他地址进行 数据读取时，未产生错误标志，证明其他错误数据已被纠错。

4 结论

本文在采用FPGA芯片实现基本EDAC读写功能的设计思路基础上，创建了一种新型的可对 RAM存储单元进行自检的EDAC功能模块。该模块不但可以对RAM存储单元进行快速巡检，巡检 时间仅为传统EDAC方法的十二分之一，还可以自动纠正已发现的错误。该模块最大的优点在 于节省了单片机资源，几乎不需要单片机的参与即可完成所有自检功能，从而使基于FPGA 的星载计算机对SEU事件防护能力得到较大的提升。本文中该模块采用Verilog硬件描述语言 编程，具有可移植性，这种设计方法可用于各种体系结构的星载计算机中。

本文作者创新点: 通过引入FPGA技术，设计了一种灵活、高效的自检EDAC电路，可在CPU 的控制下实现对错误信息的自动处理，并提出了该EDAC电路验证方法。