O 引言
隨著我國航空航天事業的迅猛發展，衛星的應用越來越廣泛。然而，太空環境復雜多變，其中存在著各種宇宙射線與高能帶電粒子，它們對運行于其中的電子器件會產生各種輻射效應。輻射效應對電子器件的影響不可忽視，因為輻射會使器件的性能參數發生退化，以至失效，從而影響衛星的可靠運行，縮短衛星的使用壽命。輻射效應對電子器件的影響很多，其中最主要的有總劑量效應(TID)和單粒子效應(S-EE)。SEE按產生的影響主要包括單粒子翻轉(SEU)、單粒子閂鎖(SEL)和單粒子燒毀(SEB)等三種類型，其中以SEU最為常見。在各種輻射效應當中，存儲器對SEU最為敏感，所以，對存儲器的抗輻射設計首先要考慮的就是抗SEU設計。
事實上，不同的空間環境和應用需求，對存儲器的數量與質量也有不同的要求。例如：在上傳指令與下載星載儀器儀表的狀態時，要求數據有很高的可靠性，此時對內存容量則沒有特別的要求;而在處理某些用途的圖像數據時，對數據可靠性的要求則相應較低，此時則需要較大的內存容量。所以在采用具體的抗SEU方法時，也要因其不同情況而做出適合的選擇。
本文將采用擴展漢明碼編碼(Extended Hamming Code)與三模冗余(Triple Modular Redundancy，TMR)相結合的方法，并利用二者檢錯糾錯的不同特點，來對SRAM進行檢錯糾錯模式可調的抗SEU設計。這樣既可實現存儲器的抗SEU設計。又可滿足對存儲器使用靈活性的要求。
1 擴展漢明碼與TMR檢錯糾錯原理
1.1 擴展漢明碼檢錯糾錯原理
擴展漢明碼是一種常用的能檢測兩位錯同時能糾正一位錯的編碼方法。它是在漢明碼的基礎上.在碼字上再加入一個對所有碼元都進行校驗的校驗位而得到的，故稱為擴展漢明碼。
擴展漢明碼是線性分組碼的一種，其信息位和監督位的關聯可由一組線性代數方程組表示。(n，k)線性分組碼的編碼就是去建立由r(其中r=n-k)個生成冗余位的方程式構成的方程組，再由此方程組轉化為kxn的生成矩陣G。編碼時，可將信息位向量(k維)乘以生成矩陣G，從而得到碼字向量(n維)，如下式所示：
將式(1)表示的方程組作移位變換，可以得到式(2)，通常稱H為監督矩陣。
解碼時，通過監督矩陣H與讀出的碼字向量C的乘積結果可判斷該碼字是否出錯。若讀出的碼字向量C乘上監督矩陣H后得到一個零向量，則表示沒有出錯;否則表示碼字在存儲之后受到了單粒子效應的影響，有錯誤發生。通常將監督矩陣與讀出的碼字向量C的乘積記作S，稱為校驗子。當碼字中某一位發生錯誤時，就會得到唯一的S向量，該向量只與碼字出錯的位置有關，而與碼字C無關。通過S向量可以定位出錯的位置，并對出錯數據進行改正。
作為線性分組碼的一種，擴展漢明碼的分組編碼總長為2r位，信息位長度為2r-1-r位，即(2r，2r-l-r)擴展漢明碼。本設計采用了16位RAM存儲器，所以對應使用(22，16)擴展漢明碼。
1.2 TMR檢錯糾錯原理
TMR是一種常見的硬件冗余技術。它的原理是在相同的一組硬件單元上同時發生錯誤的概率要比在單一硬件單元上發生錯誤的概率小。它的基本方法是將所需容錯的硬件單元增加到三倍或更多，并將各個單元的輸出連接到一個表決器上，由表決器選擇所有硬件單元中的絕大多數輸出值作為整體的輸出值。圖1所示為三模冗余系統結構圖。
圖1中，A1、A2、A3三個模塊同時執行同樣的操作，并將其輸出送給表決器，然后由表決器對接收到的三路數據進行比較。如果三個模塊同時給出三個相同的輸出，則表決器輸出任何一路作為正確輸出。如果其中任一模塊出錯，其輸出不同于其它兩個模塊，則表決器依然輸出正確結果。如果有兩個模塊同時出錯，且變成相同的狀態，表決器則會誤認為這是正確的結果并輸出，不過這種情況的出現雖然可能，但概率非常小。當然，如果這兩個模塊同時出錯，但出錯狀態不同，則表決器此時將無法做出選擇，但可以產生中斷。
2 內存配置方案
通過上面對擴展漢明碼與TMR兩種檢錯糾錯方式的介紹，可以發現其二者各有優勢，分別適用于不同的環境條件和應用需求。但是，這兩種方案對于內存配置的要求是不同的，所以在對整個電路的設計之前，首先要對內存作如下配置。
本設計中使用了3片16bit的SRAM。并分別采用(22，16)漢明碼和TMR兩種檢錯糾錯方法。對于(22，16)，一般采用(16+8)位的存儲器來實現，而TMR，則采用16位的存儲器來實現。若要支持這兩種方法，則必須首先為存儲器設計一種特別的內存配置方式。本設計采用如圖2所示的內存配置方案。
對于圖2所示的內存配置方案，當系統工作在TMR模式時，所有的片選信號都被相同的信號驅動，這樣就構成了TMR需要的3個16位內存空間;而當系統工作在漢明碼模式時，它們則ah、al、bh為一組，bl、ch、cl為另一組，并分別被相同的片選信號驅動，從而構成了兩個獨立的(16+8)位的內存空間。本設計采用了3片128 K×16bit的SRAM，如果設置每片SRAM的低4K×16bit空間工作在TMR模式，則從圖中可以看出，該SRAM芯片組中還有兩個124 K×(16+8) bit的空間可以工作于擴展漢明碼模式。
3 電路設計
基于上述內存配置方案，本文設計了如圖3所示的抗SEU存儲器電路。該電路包含了4個功能模塊。
3.1 TMR模塊
在TMR工作模式下可完成數據的寫入操作和讀取操作中的冗余判決。如果在讀取過程中發現有一片RAM中的數據與其它三片不同，則對該片RAM進行正確數據的回寫;如果發現三片RAM中的數據都不相同，則產生中斷信號。
3.2 擴展漢明碼模塊
在擴展漢明碼工作模式下，當寫入數據時，則對其進行編碼;當讀取數據時，則對其進行相應的解碼，并判斷數據是否出錯。如果一位錯則自動回寫正確值，如果兩位以上的錯誤，則產生中斷信號。
3.3 模式選擇模塊
在該模塊內部設置有一個32位的模式配置寄存器。通過給模式配置寄存器的低18位進行預先置數，可以設置檢錯糾錯電路的工作模式，同時也就設置了RAM的內存配置情況。根據CPU的不同應用要求，模式控制模塊可以讓檢錯糾錯電路在擴展漢明碼方式與TMR方式二者之間進行靈活的切換。
3.4 控制邏輯模塊
該電路模塊可根據電路所處的檢錯糾錯模式來控制相應的讀寫信號和內存片選信號，以便正確訪問RAM內容。
4 FPGA的編程與實現
接下來對每個模塊在設計過程的具體考慮進行重點介紹。
4.1 TMR模塊
對于TMR模塊的設計較為簡單。需要特別指出的是，考慮到對電路有效性的驗證，在寫通道上另外添加了錯誤注入模塊。圖4所示是其設計框圖，圖中，ctrl_err為錯誤注入控制信號，當ctrl_err為0時，表示不注入錯誤;當ctrl_err為1時，表示注入錯誤。這樣可以通過對ct-rl_err信號的控制來實現對SEU效應的模擬。add_err[7..0]為注錯數據信號。將add_err的低四位用0000～1111表示，可用于表示給數據添加錯誤的位置，它的高四位甩XX01～XX11表示，則可分別表示要給RAM組中的某個RAM添加錯誤。
4.2 擴展漢明碼模塊
擴展漢明碼模塊的設計主要包括編碼模塊、伴隨式生成模塊以及差錯校驗模塊等。編碼模塊可使用式(1)進行編碼，可生成r個校驗位。并將它們依次添加到碼元序列的第2i-1(其中i=0，…，r-1)個位置上。伴隨式生成模塊使用式(2)進行解碼，可對應生成校驗子S。差錯控制模塊可根據生成的校驗子S來判斷數據是否出錯，以及出錯的位數，并用sef與def表示。如果數據沒有出現錯誤，則直接送出;如果數據中有一位出現錯誤，則對其進行回寫，同時將修正的數據送出;如果兩位出現錯誤，則輸出中斷信號int。
需要注意的是，擴展漢明碼模式下的地址信號需要進行額外的處理。由于本設計采用了128K×16bit的SRAM芯片，它有17位地址信號。但是，正如上面提到過的，SRAM芯片組中將有4KB的存儲空間工作于TMR模式，還有248KB的存儲空間將工作于擴展漢明碼模式，而248KB的空間需要18位地址信號，這就要求有一個對地址信號進行變換的模塊。當地址小于4KB 時，電路工作于TMR模式下而無需對地址進行變換;當地址大于等于4 KB同時小于128 KB時，電路工作于擴展漢明碼模式，地址信號會選中第一個124 Kx(16+8)bit的空間，此時也無需地址變換;而當地址大于等于128 KB，電路也工作于擴展漢明碼模式下，此時地址信號應選中第二個124 Kx(16+81bit的空間，此時則應將地址值加上4KB，然后取新的地址的低17位加到第二個124 Kx (16+8) bit的存儲空間上即可。
在上述TMR和擴展漢明碼模塊的設計中，對出錯數據的回寫是設計中的重點和難點，主要應考慮是否回寫和何時回寫兩個問題。這兩個問題可由時序控制模塊來解決。它主要根據CPU的控制信號，適時的發出錯誤標示輸出使能信號flag_oe，從而改變CPU對RAM的讀寫狀態，完成
修正數據的正確回寫。
另外，電路中的錯誤標示信號對整體設計的穩定性至關重要。為了保證錯誤標示信號的穩定，可在雙向傳輸門B的讀入端加一個鎖存器，鎖存器的鎖存使能端也可由時序控制模塊的flag_latch來控制。
4.3 模式選擇模塊
模式選擇模塊用于接收來自CPU的配置信號config和片選信號cs_fpga，以便將32位的配置數據寫入配置寄存器。該寄存器的低18位數據為模式配置數據，地址信號通過與該數據進行比較，可使小于該地址的存儲器空間工作于TMR模式，大于該地址的存儲空間工作于擴展漢明碼模式。
本電路采用軟件故障注入法來進行電路的有效性驗證，所以，在電路設計中，可將模式配置寄存器的其余14位用于注入外部干擾數據，并將其連接到ctrl_err與add_err信號，以用來進行軟件故障的注入，模擬SEU對電路的影響。
4.4 控制邏輯模塊
該模塊可接收模式選擇模塊的模式信號mode，以對TMR模塊和擴展漢明碼模塊輸出的讀寫信號和片選信號進行選擇，然后輸出到RAM芯片的引腳上去，從而實現CPU對RAM的正確訪問。尤其是當電路工作于擴展漢明碼模式時，還需根據地址信號判斷當前對哪個124 Kx (16+8)bit的存儲空間片選有效。其具體電路如圖5所示。
5 結束語
本設計中的抗SEU存儲器的設計可通過ACTEL的ProAsic系列A3P400 FPGA實現，并可使用與其配套的Libero8.5 EDA工具進行代碼的編輯和原理圖的繪制，并進行功能仿真與電路的綜合。通過仿真可以看到，本設計可以達到預期的目的，它既可實現存儲器的抗SEU設計，又可以滿足對存儲器使用靈活性的要求，而且具有功能完善、適應性強、電路簡單等特點，非常適用于星載RAM的抗輻射電路設計。