基于FPGA的模式可变的卫星数据存储器纠错系统

表1 实用参数下汉明码与TMR差率的近似比较

计算结果表明，在前述参数范围内，汉明码纠错的差错率约是TMR的5倍。而且，两种系统的差错率都与σ的平方近似成正比。可见即使采取内存纠错，设法降低σ仍是根据提高系统可靠性的主要措施。

系统的时序性能是考虑的另一个关键因素。尤其是在高达几十兆赫的内存总线上，编解码运算较为繁琐的汉明码方案有着相当的局限性。而TMR方案只需进行简单的2/3判决，通常更能胜任苛刻的内存访问时间要求[4]。

2 可变方案配置

从上述比较可以看出，两种方案各有优势，适合在不同的环境条件和数据安全需求下应用。而星载计算机的通用性也要求数据存储器具有一定程度的灵活性。在综合上述两种方案的基础，结合目前飞速发展的现场可编程逻辑门阵列（FPGA）技术，提供了一种可以根据需要在线改变配置，分别实现上述两种EDAC方法的数据存储器方案。

2.1 可变内存配置

前述两种EDAC方法对于内存的配置是不同的。（22，16）汉明码一般采用16bit+8bit的内存芯片器件实现。而TMR则采用3×16bit的芯片实现。若要支持两种方法，必须为存储器设计一种特别的内存配置方式。这是模式可变的基础和关键。图1为可变内存配置方案。

这个数据存储系统是由3个位于同一条地址总线上的16bit内存模块组成。每个内存模块还可以单独片选其高字节或低字节。这样通过片选信号ah、al、bh、bl、ch、cl的控制，实际上有6个宽度为8bit的内存模块可以单独访问。48bit(3×16bit)的数据线全部接入EDAC控制模块。当系统工作在TMR模式时，ah、al、bh、bl、ch、cl被相同的片选信号驱动。这样就构成了TMR需要的一个3×16bit冗余内存空间。当系统工作在汉明码模式时，ah，al、bh一组，bl、ch、cl一组，分别被相同的片选信号驱动，构成了两个独立的16+8bit存储空间。对于（22，16）汉明码，每一个空间实际使用增加一倍。另外，系统还可以工作在无差错控制模式下。这时，ah、al一组，bh、bl一组，ch、cl一组，分别被相同的片选信号驱动，构成了三个独立的16bit存储空间。这种配置下的内存地址空间比TMR模式下增加两倍。在这些配置模式中，片选的地址译码都在EDAC控制模式中完成。

2.2 可变纠错方案的系统结构

一个基于上述内存配置方案的模式可变数据存储系统以一个RAM芯片组作为内存载体。可变纠错方案的系统结构见图2。除了内存模块外，还应该包含以下功能模块：

（1）TMR读写取判决模块。TMR工作模式下，完成读取和写入操作中的冗余判决和数据分配逻辑。这个模块的具体设计已经在1.2节中详细介绍了。

（2）汉明码编码模块。汉明码工作模式下，在向内存写入数据时完成编码运算。

（3）汉明码纠错模块。汉明码工作模式下，在从内存读出数据时完成检错和纠错运算。（2）、（3）这两个模块的算法原理采用了1.1节中介绍的方案。

（4）地址逻辑模块和模式控制模块。配合各种工作模式，控制相应的模块工作信号和相应的内存片选信号，完成附加地址译码，正确访问RAM崆，实现对物理内存的分配管理。

为此，采用FPGA设计了EDAC专用芯片，实现了这些模块，并与内存模块相连接，组成了完整的纠错模式可变的数据存储系统。在这个系统中，完成写入操作时，总线数据通过EDAC-FPGA以合适的形式存入RAM芯片组；完成读出操作时，EDAC-FPGA将RAM芯片组的内容读出并处理（解码或判决）后放在系统总线上。

2.3 可变方案配置的特点

根据不同任务的具体特点，卫星数据处理系统对于内存的数量和质量的要求也有所不同。例如在处理上传指令和下载星上仪器状态时，要求数据有很高的可靠性，而对于内存容量则没有特点的要求；而在处理某些用途的遥测图像数据时，需要较大的内存容量，而对可靠性的要求则相应较低。传统的内存配置在硬件完成后很难更改。如果完全基于软件纠错也能实现相当程度的灵活性，但软件纠错带给CPU的大量运算负荷使得这种灵活性有些得不偿失。

可变纠错方案与无纠错机制的内存系统相比，仅仅在硬件上增加了一块FPGA，对于软件则是完全透明的。而且，在星载数据处理系统中往往还有其他需要使用FPGA的场合，这块FPGA的内容完全可以通过综合设计，整合到其他诸如总线逻辑之类的FPGA之中。

来源：嵌入式公社