基于反熔丝FPGA、QSPI FLASH的高可靠程序存储、启动控制系统

1      涉及术语解释

1.1     三模冗余

三模冗余系统简称TMR(Triple Modular Redundancy)，是最常用的一种容错设计技术．三个模块同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决系统的正确输出，通常称为三取二．三个模块中只要不同时出现两个相同的错误，就能掩蔽掉故障模块的错误，保证系统正确的输出．由于三个模块是互相独立的，两个模块同时出现错误是极小概率事件，故可以大大提高系统的可信性。

1.2     Single-Event Upset，SEU

Single-Event Upset (SEU)是指单个空间高能带电粒子击中微电子器件灵敏部位后，由于电离作用产生额外电荷，使器件逻辑状态发生瞬态改变的现象。如果某个重要的程序，逻辑状况发生变化后，会对设备产生较大影响。由于三模冗余技术的简单性以及高可靠性，它是一个被广泛使用的针对于单粒子翻转(Single-Event Upset，SEU)现象的容错技术。

1.3     SRAM 、FLASH FPGA与反熔丝FPGA

从使用的角度进行说明，SRAM FPGA目前是市场主流，工艺简单，逻辑容量大，可重配置。每次断电后，程序消失，上电时需要重新从外部存储器进行加载。

反熔丝FPGA主要用于军工、航天等可靠性要求极高的场景，工艺复杂，逻辑容量小，可靠性极高，只能配置一次。

本文提到的三模冗余存储、烧录、加载控制系统，使用反熔丝FPGA作为主控完成。

1.4     QSPI FLASH

本文提到的处理器主系统使用QSPI接口 FLASH存储软件配置程序，进行写操作时必须先进行擦除，然后才能完成写入，且擦除的最小单位是一个扇区(sector)，读出数据则没有大小限制。

本文的FLASH使用QSPI接口，该接口有4条数据线，1条使能线，1条时钟线，属于典型的高速串行同步通讯接口，速率较快。与之对应的有BPI接口，BPI接口属于并行数据接口，数据线与地址线分离，管脚数目庞大，正在逐渐被QSPI等串行接口取代。

2      三模冗余方案

某型号卫星观测相机使用了大容量的SRAM型FPGA作为主控器件，该FPGA程序需要存储在QSPI 接口的FLASH中，本文提到的处理器主系统即使用SRAM FPGA芯片。为了防止存储在QSPI接口FLASH中的bit数据发生SEU，引起SRAM FPGA的错误工作，同时进行在线更新，我们对FLASH内存储的数据、处理器主系统的程序加载进行三模冗余设计。

图 2‑1 三模冗余简化设计框图

l  FLASH 0/1/2 ：三片FLASH分别存储3份SRAM FPGA的软件配置项；

l  UART ：串口负责对反熔丝FPGA进行调试与状态监测、控制反熔丝FPGA对FLASH 0/1/2 进行程序烧录；

l  Power ：受反熔丝FPGA的控制，用于控制SRAM FPGA的上电、下电；

l  反熔丝FPGA：作为该系统的高可靠主控设备，负责执行UART收到的控制指令、执行FLASH的擦除、读写、执行SRAM FPGA的启动控制；

l  处理器主系统：是本发明要服务的设备。

系统上电后，反熔丝FPGA开始运行，代码内部的三个FLASH控制器首先通过读取FLASH器件的dummy值对FLASH的读写时序进行调节、校验，校验通过后再接收相同的读地址，并对应发出SPI读操作，FPGA读取三片FLASH存储单元中的数据，三份数据被数据比较模块两两异或，比较其内容的一致性，若存在数据错误，则用正确数据覆盖错误数据，并记录错误BIT信息，最后将统计到的错误数据输出。

在比较的过程中，如果检查到某片FLASH数据有错误，需要对其错误的扇区进行擦除，并写入正确的数据，那么这里就需要首先对正确的数据进行备份，反熔丝FPGA内部的SRAM资源十分有限，无法用作备份，因此使用FLASH 0 20MB地址处的64KB区域进行正确数据的备份。

图 2‑2 三模冗余校验过程

流程图提到的代码边界是指SRAM FPGA配置程序的边界，比如我们FLASH的大小实际是32MB，而SRAM FPGA的配置程序实际是6MB，那么对应的程序边界就是6MB，我们在进行三模冗余时，只需要对应的比较6MB的数据即可，可以大大的节约时间。