SRAM型FPGA单粒子辐照试验系统技术研究--FPGA应用

SRAM型FPGA单粒子辐照试验系统技术研究

孙

雷1，段哲民1，刘增荣2，陈

雷2

SUNLei1,DUANZhemin1,LIUZengrong2,CHENLei2

1.西北工业大学电子信息学院，西安7100722.北京微电子技术研究所FPGA部，北京100076

1.SchoolofElectronicsandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China2.DepartmentofFPGA,BeijingMicroelectronicsTechnologyInstitute,Beijing100076,China

SUNLei,DUANZhemin,LIUZengrong,http://www.77cn.com.cnputerEngineeringandApplications,2014,50（1）：49-52.

Abstract：ThespaceapplicationofFPGA（FieldProgrammableGateArray）isrestrictedbythesingleeventeffectscausedbyradiation.InordertoimprovethereliabilityoftheFPGAintheradiationenvironment,themethodofsingleeventeffectassessmentforhardenedFPGAisstudied.Thesingleeventeffectassessmentprogramisoptimizedandtwomethodsareintroduced,oneisSRAMclock-correctingbasedbitstreamstoragecomparisonmethodandtheotheriscon-figurationreadbackmethodbasedonSelectMAPport.SomeexperimentsaboutSingleEventUpset（SEU）,SingleEventLatch（SEL）andSingleEventFunctionInterrupt（SEFI）aredonewiththehelpofhigh-energyradiationexperimentenvi-ronment.TheresultsshowthattheassessmentprogramintroducedisscientificandeffectiveforSRAMbasedFPGAradia-tionassessment.

Keywords：FieldProgrammableGateArray（FPGA）;spaceradiation;singleeventeffects;SelectMAP;readback;StaticRandomAccessMemory（SRAM）摘

要：单粒子辐射效应严重制约FPGA的空间应用，为提高FPGA在辐射环境中的可靠性，深入研究抗辐射加固

FPGA单粒子效应评估方法，设计优化单粒子效应评估方案，开发相应的评估系统，提出基于SRAM时序修正的码流存储比较技术和基于SelectMAP端口配置回读技术。借助国内高能量大注量率的辐照试验环境，完成FPGA单粒子翻转（SEU）、单粒子闩锁（SEL）和单粒子功能中断（SEFI）等单粒子效应的检测，试验结果表明，该方法可以科学有效地对SRAM型FPGA抗单粒子辐射性能进行评估。

关键词：现场可编程门阵列（FPGA）；空间辐射；单粒子效应；SelectMAP；回读；静态随机存储器（SRAM）文献标志码：A

中图分类号：TP271.5

doi：10.3778/j.issn.1002-8331.1208-0196

1引言

从20世纪90年代，国外就开始将FPGA用于航天

NASA为了提高FPGA整机系统的可靠性，与SEAKR公司直接合作进行单粒子效应减轻技术以及高低温保护技术研究，进而极大增强了FPGA芯片在空间应中的可靠性。巴西RioGrandedoSul联邦大学与Xilinx公司以及Novus技术公司合作，对单粒子检测系统进行了深入研究，并搭建了相应的检测系统。南加州大学以及Muniz引擎公司也开发了针对Virtex4的单粒子检测系统，该系统可以对PowerPC核的单粒子效应进

领域，取得了很多成功的案例[1-2]。欧空局和美国航空航天局均开展了FPGA抗辐射性能的相关技术研究，其中，美国JPL（喷漆动力实验室）和LANL（洛斯阿拉莫斯实验室）辐射效应方面的科学家纷纷与Xilinx公司直接合作，对Xilinx耐辐射系列FPGA从工艺、测试、辐照等各方面进行性能评估和考核。

基金项目：“十一五”国家部委预研项目。

作者简介：孙雷（1987—），男，硕士研究生，研究领域为FPGA板级开发与应用；段哲民（1953—），男，博士生导师；刘增荣（1982—），

男，工程师，研究方向为FPGA板级开发与应用；陈雷（1978—），男，博士后，研究员。E-mail：sunraygate@http://www.77cn.com.cn

收稿日期：2012-08-16

修回日期：2012-12-03

文章编号：1002-8331（2014）01-0049-04

CNKI网络优先出版：2013-02-07,http://www.77cn.com.cn/kcms/detail/11.2127.TP.20130207.1419.004.html

行有效的测试。另外，美国伊利诺伊大学、美国奥本大学、美国北卡罗来纳大学、法国TIMA实验室、美国伯明杨大学和意大利天体物理研究所（IASF）等单位也对单粒子效应进行了及其深入的研究[1-6]。

国内，航天某研究所、西安某基地以及部分高校也对SRAM型FPGA单粒子效应失效机理，以及评估技术、减轻技术等进行了大量深入的研究。

本文在借鉴国内外研究的优点，改进其不足的基础上进行创新，完成了单粒子辐照效应评估试验系统。其设计主要体现在硬件、软件及测试电路的设计上。在硬件上，采用被测器件与标准器件进行回读对比；在软件上，系统具备灵活的控制功能，试验数据显示功能，试验结果存储功能；在测试电路上，采用计数器、移位寄存器、BRAM和多路器的组合，通过组合逻辑与时序逻辑来进行动态测试。

本文设计的系统，在原有单粒子评估试验系统的基础上进行了创新，采用单一FPGA试验，通过SelectMAP端口对FPGA进行配置和回读，将码流存于SRAM中，比较DUT码流与Golden码流，将结果回传给上位机。

在数据处理中，最重要的部分是威布尔拟合，威布尔拟合公式为：

y=A´(1-exp(-(k´(x-xc))d))

其中，A为翻转截面的极限值；xc为LET的阈值；k为宽度参数的倒数；k为无量纲的指数幂。

饱和截面在拟合曲线中定义为和曲线相切并平行于X轴的线对应的Y轴的数值；LET阈值定义为平行于Y轴，经过Y轴数值为饱和截面的10%的数据点和X轴

5，9]

。相交的X轴的数值[3，

3辐照试验评估系统的实现

单粒子辐射试验板主要由控制FPGA，一块8Mb位

SRAM，待测FPGA以及控制区通信接口，控制区电源接头等组成，整个辐照试验环境如图2所示。

2单粒子效应评估原理

表征器件抗单粒子翻转能力的主要参数是静态翻

图2单粒子辐照试验环境

针对这种效应的测试系统应该涵盖这转截面[2]。因此，

方面的测试能力，静态翻转截面的测试需要获得器件内部存储器翻转的相关信息，类似于一般存储阵列的单粒子翻转测试，而系统功能的监测更为复杂，需要考虑针对不同配置电路如何定义功能失效以及输入测试向量的完备性等问题。

通过该系统经现场辐照试验后记录数据，去除无效数据，对每种码流的器件的CLB、BRAM的翻转截面分别做加权平均，考虑误差分析，通过威布尔拟合获得CLB和BRAM的饱和截面及翻转阈值，通过查表获得器件的在轨翻转率，来评估器件的抗单粒子能力[7-8]。图1为单粒子试验数据处理流程。

1；

100）

控制FPGA是与上位机通信的主体，XCF04S为控制FPGA进行配置，XCF32P中存放着4种待测码流，根据测试需要，通过控制FPGA选择其中的一种码流为待测FPGA进行配置。

在试验之前，首先要对试验FPGA器件进行上电配置，待配置完成之后需检测DONE信号，符合条将后要进行FAR读写测试，检查端口是否锁死，再进行辐照试验。

在回读配置存储器CLB和BRAM数据之前，需要对FPGA的功能状态进行判断，判断器件此时是工作正常还是处于SEFI状态，如果发生SEFI则需要进行重新配置。在检测器件工作正常之后，需要对配置存储器进行回读验证，包括CLB和BRAM两个部分，并与正确的数据进行比较，进而统计错误数并传给上位机。在整个试验过程中，根据试验需求，可以回读特定时刻的配置存储器码流。整个试验流程如图3所示。

图1单粒子试验数据处理流程图

图3系统测试试验流程图

4基于SelectMAP端口的配置和回读

SelectMAP模式提供了与Virtex配置逻辑之间的一

DUT码流与FF位置信息，设计中硬件提供了对SRAM每一地址进行读写的能力，因此要对SRAM的读写时序进行深入的研究。图8为系统中用到的SRAM的写时序图，但对SelectMAP模块来说，需要每一个周期完成一次写操作，因此无法控制WE产生的波形，若依照此时序对SRAM进行写操作，数据会不稳定。在这里采取的解决方法为，在顶层模块，利用更高频率的系统时钟对WE信号进行处理，当WE信号变低后，在进行写操作，实际的WE信号的波形如图9。

ADDRESS

OE

CEWE

LOW

VALID

个8位双向数据总线接口，既可以被用于配置，也可以被用于回读[10-11]。

被测FPGA具有回读内部存储器内容的功能，存储器的翻转测试就建立在回读技术的基础之上，然而，在配置存储器回读前必须通过SelectMAP端口向FPGA内的全局寄存器写入回读命令

[11-12]

。

以图4的时序将配置文件顺序写入待测器件的SelectMAP的接口，实现配置程序的下载[10]。以图5的时序从FPGA中读出内部存储器的内容，对回读数据进行存储。

CCLKCSDATA[0:7]

BUSY

twc

WALIDADDRESS

HA

DOUTDIN

High-Z

High-Z

High-Z

DATA图8

CLOCK_SMAP

WE修正WE

SRAM写时序

图4

DATA[0:7]

CCLK

Byte0

SelectMAP端口的配置时序图

……

Byte23

Byte0

Byten

图9修正后的SRAM写时序

SRAM将与回读模块、翻转比较模块和通信口数据交换模块产生关系。为此，将单端口的SRAM转换为4端口的SRAM，各模块分时使用，使用权由核心控制模块管理。SRAM存储空间的分配如图10所示。

ì

ïDUT码流ïï

软件计算的ï

í

FF地址ï

ïïGOLDEN

ïî码流

—

CLBFFIOBIFFIOBOFFIOBTFFIOBPAD

图

5SelectMAP端口的回读时序图

配置文件下载完成后，进行CLB回读以及BRAM回读，配置寄存器回读的时序基本相同，都可以分为4个步骤，如图6所示。

图6配置寄存器回读步骤

上

半区下半区

首先要进行ABORT过程，目前采用的ABORT时序如图7所示，一共用了4个时钟周期完成。根据Xilinx数据手册，ABORT操作定义为在CS有效时改变WR信号，所以实际有效的操作发生在CS有效WR由高变低时。

CCLKCSWR

图10SRAM存储空间分配

比较用的Golden码流需从待测芯片中获得。在开始辐照前，先进行一次码流回读，将其存储在外部SRAM中特定的位置中。在试验开始后，每次回读的码流也都需要存储到外部SRAM中，然后再将GOLDEN

图7ABORT时序

与DUT的码流一字字地读出比较。这样虽然增加了处理时间，但也消除了不同模块间的耦合，同时使得对码流的处理分析更加容易。

本系统还增加了对寄存器翻转的统计，包括CLBFF、IOBIOTPFF。由软件计算寄存器位置，在系统初始化时，由通信口传输到试验板上并存储在SRAM中。寄存器位置计算与翻转数统计的流程如图11所示。

ABORT时序过后，通过SelectMAP端口向FPGA发送回读命令。之后经读写切换，通过SelectMAP端口将配置存储其中的数据全部读出，存储在SRAM中。

5基于SRAM的码流存储及比较功能

SRAM是本系统的核心，它存放GOLDEN码流、

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ì—

ï

—下传FF位置

ì读取FF位置信息ïï转化为SRAM地址ïï

í读取对应的DUT

ï与GOLDEN数据ï

ïï比较

î

图11翻转数比较流程图

6系统对比

与传统的辐照试验系统相比[13]，本文方法减少了被测

器件的数量，增加了被测码流种类，可以更全面地测试单粒子翻转效应；并且本文方法去掉了GOLDEN芯片，采用一块8MbSRAM对GOLDEN及DUT码流进行存储，方便翻转数统计以及对比，容易进行BRAM读和DLL控制寄存器等动态测试，可扩展性强。表1为两种系统的对比。

表1

对比被测器件被测码流对比方法设计方法动态测试

传统系统与现有系统的对比

现有试验系统

1个，体积小4种待测码流

利用外部SRAM进行存储比较采用模块化设计，可扩展性强可进行DLL、BRAM等测试

传统试验系统4个，体积大1种待测码流直接与标准器件对比系统固定，扩展性不强不可进行

7结束语

本文以BQVR300RH抗辐射SRAM型FPGA为主

要研究对象，通过基于SRAM时序修正的码流存储比较技术，以及基于SelectMAP端口的配置回读技术，分别于中国原子能核物理研究所的串行阵列加速器和中国科学院近代物理研究所的回旋加速器进行现场辐照试验，获得了大量内核以及IO电流，CLB以及BRAM翻转数，功能中断次数等主要数据。经过数据处理、分析，得到了国产某型号30万门FPGA的翻转截面、翻转阈值、在轨翻转率等参数，有效地评估了被测FPGA的抗单粒子翻转性能。试验表明，该方法能够完成单粒子翻转、单粒子闩锁以及单粒子功能中断的检测，为提高FPGA整机系统的可靠性提供了保障，可推广应用到其他抗辐射器件的单粒子效应的评估工作中。

参考文献：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qd8i.html