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SRAM型FPGA单粒子翻转效应的故障注入系统研究

作　者: 吴圣陶
导　师: 胡方明
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: SRAM型FPGA 单粒子翻转故障注入部分重配
分类号: TN791
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于具有高密度、低成本、可动态重构等特有的优势,SRAM型FPGA在航天领域中得到越来越广泛的关注。但是在空间辐射环境下,SRAM型FPGA较之于其他类型的可编程逻辑器件,如ASIC、反熔丝型FPGA等更容易受到单粒子效应,尤其是单粒子翻转效应(single event upset,SEU)的影响。对于SRAM型FPGA的SEU抗辐射加固和测试方法,国外已经有了比较成熟的理论和测试经验,但是由于相关技术上封锁,以及试验条件和资源上的限制,国内在这方面的研究起步晚,还处于探索研究阶段。如何对SRAM型FPGA的SEU效应进行有效的测试评估并在此基础上研究SEU加固技术已成为一个迫切需要解决的问题。本文利用Virtex FPGA的部分重配技术设计实现了一种针对XCV300/BQV300的故障注入工具,该工具可以对SRAM型FPGA设计的SEU提供快速低成本的仿真测试。论文首先对SRAM型FPGA的单粒子效应,特别是对SEU的产生机理和减轻技术进行分析和研究,并提出采用故障注入的方法对SEU效应进行仿真和测试。其次,根据SRAM型FPGA的存储器结构论证了利用故障注入技术翻转FPGA的配置存储器位来仿真SEU效应可行性,并在此基础上论述了本文故障注入的方案。再次,围绕Virtex FPGA的SelectMAP部分重配技术,详细阐述了故障注入工具的软硬件实现方法。最后,通过使用本设计的测试系统对FPGA的典型设计电路进行故障注入测试,得到测试电路的SEU敏感位,验证了本文测试系统的有效性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 课题背景  8
  1.2 国内外研究现状和发展方向  8-10
    1.2.1 单粒子翻转效应的评估技术  9
    1.2.2 故障注入技术的研究现状与发展  9-10
  1.3 课题的主要工作和内容安排  10-12
    1.3.1 主要工作  10-11
    1.3.2 内容安排  11-12
第二章系统总体方案设计  12-26
  2.1 SRAM 型FPGA 辐射效应  12-17
    2.1.1 总剂量效应  12-13
    2.1.2 单粒子闩锁效应  13-14
    2.1.3 单粒子瞬态效应  14-15
    2.1.4 单粒子翻转效应  15-17
  2.2 辐射效应减轻技术  17-19
  2.3 系统总体方案  19-25
    2.3.1 方案论证  19-22
    2.3.2 故障注入方案  22-23
    2.3.3 故障注入流程  23-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章硬件电路设计  26-42
  3.1 电源电路模块  27-28
    3.1.1 电源需求分析  27
    3.1.2 电源电路设计  27-28
  3.2 SRAM 码流存储模块  28-30
  3.3 配置电路模块  30-37
    3.3.1 Virtex 配置方案  30-34
    3.3.2 Virtex 配置过程  34-35
    3.3.3 XCF04S 配置电路模块  35-36
    3.3.4 XC18V04 码流下载模块  36-37
  3.4 RS232 接口模块  37-40
    3.4.1 RS232 接口定义  37-38
    3.4.2 RS232 电平转换电路  38-40
  3.5 本章小结  40-42
第四章系统逻辑设计与实现  42-64
  4.1 系统逻辑总体设计  42-43
  4.2 UART 串口通信模块  43-48
    4.2.1 UART 工作原理  43-44
    4.2.2 UART 模块实现  44-48
  4.3 SRAM 码流存储模块  48-50
    4.3.1 XC18V04 的读时序  48-49
    4.3.2 SRAM 的写时序  49
    4.3.3 SRAM 码流存储状态机  49-50
  4.4 DUT 芯片的配置模块  50-55
    4.4.1 SRAM 的读时序  51-52
    4.4.2 SelectMAP 配置模式  52-53
    4.4.3 DUT 芯片配置状态机  53-55
  4.5 部分重配模块  55-60
    4.5.1 部分重配过程  55-56
    4.5.2 帧地址计算  56-58
    4.5.3 配置位修改与遍历  58-59
    4.5.4 单帧重配状态机  59-60
  4.6 逻辑功能测试模块  60-62
  4.7 本章小结  62-64
第五章软件设计与实现  64-66
  5.1 上位机软件  64
  5.2 设计实现  64-65
    5.2.1 实现方法  64-65
    5.2.2 通信协议  65
  5.3 本章小结  65-66
第六章仿真测试与结果分析  66-70
  6.1 待测电路  66-67
  6.2 测试向量  67
  6.3 仿真试验  67-69
  6.4 结果分析  69
  6.5 本章小结  69-70
第七章总结与展望  70-72
致谢  72-74
参考文献  74-76
研究成果  76-77

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