基于航天的FPGA-IP核加固技术研究.doc

基于航天的FPGAIP核加固技术研究随着航天器处理数据量的不断增加,越来越多的航天部门都采用基于SRAM型的FPGA作为星载器件的首选。因其具有并行处理速度快、可重构及易实现等特点,所以基于SRAM型的FPGA是当今航空应用的热门器件之一。但是在外太空环境中,基于SRAM型的FPGA极易受到空间辐射的影响,产生单粒子翻转效应,进而导致系统出现故障。因此保障数据高可靠性的航天加固技术,逐渐受到学术界内外的广泛关注。本文首先介绍了航空器件中常见的故障类型,并针对不同故障类型进行了对比分析。由于数据位的翻转故障会导致系统不稳定,然而现有的加固方法(如三模冗余)大多只处理单比特翻转故障,却忽视了高可靠性系统对于两比特翻转故障处理的需求。因此,本文在深入研究数据间异或关系的基础上,提出了基于五位异或网式拓扑编解码加固技术。本文的创新之处主要分为以下两个方面:(1)提出了一种基于五比特异或网式拓扑编解码加固方法。该加固方法通过编码模块建立数据间的异或逻辑关系,并在解码模块中,利用该关系进行故障检测和纠错处理。本文既对该加固方法进行了原理分析和理论推导,又通过电路设计、仿真实验及FPGA嵌入式平台测试,验证了其对单、双比特翻转故障处理的正确性。实验结果表明,与其它的故障加固方法相比,该方法不仅能够实现单、双粒子翻转的检错和纠错处理,而且通用性较强,能够适应多种复杂环境。另外,该加固方法还可以进行3比特和4比特错误的检测,增强了系统的高可靠性。(2)提出了一套基于FPGA和Matlab联合的软硬件嵌入式随机测试验证环境。硬件方面,以Microblaze为核心,其它IP核为外设,建立嵌入式验证平台。软件实现时,将Matlab端生成的随机数据和随机故障,通过Matlab串口送到FPGA平台内,然后针对FPGA的输出结果自动进行统计及对比分析。该验证环境通过故障注入模块,模拟外太空辐射造成的单/双比特翻转故障,并利用搭建的FPGA嵌入式平台进行实际测试,验证了该加固方法在实际应用中的可行性。实验表明,该验证环境不仅能够对DUT(待测设计)进行实时对比分析,还大大提高了系统验证的可靠性。