基于细粒度重配置的SRAM型FPGA容错方法研究

• 作 者: 姜大力
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 细粒度重配置 故障定位 动态容错 粗糙集理论 现场可编程门阵列

基于SRAM型FPGA（Field Progrmmable Gate Array，现场可编程门阵列）芯片具有高逻辑密度、低成本，和发射后可修正与多任务更新等特有优势。这些优势解决了空间应用小型化，低成本，高性能和多任务的需求，因而在航天领域中的越来越受到人们的关注。但SRAM型FPGA相比于其他集成芯片，更易于受到空间辐射的影响，如何利用SRAM型FPGA的特点更有效的对FPGA进行容错保护是空间可重配置设计亟需解决的问题。　　
本文提出一种利用FPGA内部的空闲元逻辑资源，通过硬核进行修改在位流层实现细粒度容错的FPGA主动容错方法，并对该方法中的关键技术进行了深入的研究，本文主要的工作和创新性研究如下:　　
1.提出了FPGA内位流层主动容错方法框架。该方法是一种主动容错性方法，通过对细粒度位流进行逻辑定位和分析，可以针对空间的辐射环境的改变进行自动调整容错能力。另一方面该方法通过采用细粒度重配置容错方法，解决了对局部永久性故障进行修复和对故障敏感点进行迁移。　　
2.提出了细粒度重配置容错方法，该方法以器件元逻辑知识库和细粒度位流定位方法为基础，将修复粒度提高到SRAM型FPGA最底层的元逻辑层次，使得故障可修复率大幅度提高。同时，重配置过程基于硬核修改，大幅度提高了容错效率。　　
3.实现了细粒度位流进行逻辑定位和分析方法，该方法通过回读和位流命令分析，并以FPGA内部的规则性为基础建立一系列规则性假设，对位流数据进行定位和逻辑分析，建立了故障位流点和设计元逻辑间的对应关系。从而，实现了位流到元逻辑间的反向定位，并对该方法的正确性和准确性进行了验证。　　
4.通过对SRAM型FPGA内部结构细节进行剖析，以粗糙集理论为分析手段，建立了器件信息库的提取方法。该方法从器件信息文件中提取FPGA底层元逻辑间知识。从知识层面对器件信息进行的知识抽象，以粗糙集理论为分析手段得到了器件内的元逻辑和元逻辑间的知识，为细粒度重配置方法奠定了基础。　　
5.建立了硬件和软件测试平台。以PC模拟远程控制，以MCU为板上控制单元，对FPGA细粒度重配置容错方法中的硬件部分及软硬件的交互部分几种数据传输方式和数据分析的正确性都进行了验证。通过对细粒度容错方法进行演示，验证了细粒度重配置容错方法的正确性。