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基于FPGA的高可靠R80515的设计与实现

作　者: 高忠杰
导　师: 顾国昌
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 可靠性单粒子翻转 R80515 FPGA
分类号: TN791
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

单粒子翻转是指数字电路的存储单元中的某一位因受到干扰而发生翻转,从而引起存储内容的变化,它是目前导致处理器运行失效的主要原因。虽然SEU不破坏任何半导体器件,但是它将导致所存储的数据出错或指令的执行错误,甚至引起系统的崩溃。随着数字电路的集成度不断提高,单粒子翻转效应也越来越明显。如何提高微处理器的容SEU能力,是当前高可靠微处理器设计领域的一个研究重点。三模冗余和EDAC是对电路进行加固的重要方法。控制流检测技术可以在运行时发现程序的执行错误,从而提高微处理器的可靠性。现场可编程门阵列FPGA在现代数字电路设计中发挥着越来越重要的作用。从简单的接口电路到复杂的状态机,甚至是片上系统SoC,都可以采用FPGA来进行设计。FPGA正在各个设计领域获得越来越广泛的应用。本文首先对R80515开源IP核进行了深入的分析,然后对数字电路的SEU现象进行了研究。在此基础上,本文提出了容SEU错的高可靠R80515体系结构;结合Virtex-ⅡPro器件的特性,优化了EDAC编解码器的实现,节约了硬件资源;分析了不同的TMR粒度对于电路可靠性的影响,指出细粒度的TMR具有更高的可靠性。最后,综合运用这些加固技术对R80515的核心部分进行了加固,并提供了对控制流检测技术的支持。实验结果表明,该体系结构较好地实现了R80515在FPGA上的加固。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-15
  1.1 本课题的研究目的和意义  9-11
  1.2 国内外研究现状  11-13
    1.2.1 国外高可靠微处理器技术研究和发展概况  11-12
    1.2.2 国内可靠性微处理器技术研究和发展概况  12-13
  1.3 本论文的主要工作  13-14
  1.4 本论文的组织结构  14-15
第2章 EDA工程方法学  15-22
  2.1 EDA工程简介  15-17
  2.2 FPGA的开发流程  17-21
  2.3 本课题开发平台简介  21
  2.4 本章小结  21-22
第3章电路加固技术  22-31
  3.1 可靠性技术简介  22-23
  3.2 加固技术  23-30
    3.2.1 可靠性编码  23-26
    3.2.2 TMR冗余技术  26-27
    3.2.3 控制流检测技术  27-29
    3.2.4 其它常见技术  29-30
  3.3 本章小结  30-31
第4章高可靠R80515体系结构的设计与实现  31-54
  4.1 R80515介绍  31-33
  4.2 SEU现象介绍  33-34
  4.3 R80515的加固模型  34-35
  4.4 控制流检测的实现及其改进  35-41
    4.4.1 控制流检测的软硬件划分  35-36
    4.4.2 SFR和RAM的保存与恢复  36-41
  4.5 EDAC实现及其改进  41-46
    4.5.1 海明编、解码电路的实现  41-45
    4.5.2 EDAC示例  45-46
  4.6 TMR技术  46-48
    4.6.1 TMR在Xilinx FPGA上的实现  46-48
    4.6.2 TMR示例  48
    4.6.3 TMR技术与EDAC技术的对比  48
  4.7 组合电路提取  48-51
  4.8 自动提取实现  51-53
  4.9 本章小结  53-54
第5章仿真和测试  54-60
  5.1 R80515源IP的测试平台  54-55
  5.2 加固后的测试  55-57
  5.3 可靠性试验  57-58
  5.4 本章小结  58-60
结论  60-61
参考文献  61-64
攻读硕士学位期间发表的论文及取得的科研成果  64-65
致谢  65

基于FPGA的高可靠R80515的设计与实现

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