本發(fā)明涉及一種實時刷新裝置及其實時刷新方法、具有該實時刷新裝置的系統(tǒng)，尤其涉及一種針對星載SRAM型FPGA的實時刷新裝置及其實時刷新方法、具有該實時刷新裝置的能實時刷新的星載SRAM型FPGA系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)的日益發(fā)展，衛(wèi)星的應(yīng)用范圍越來越廣泛，如用于通信和信號轉(zhuǎn)發(fā)、用于觀察氣象、地形地貌、全球定位與導(dǎo)航等。在大量應(yīng)用的推動下，衛(wèi)星的需求量日益增長，衛(wèi)星整體性能要求不斷提高。

隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展，現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)由于靈活性高、成本低以及動態(tài)可重構(gòu)特性等特點，在航天系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。但衛(wèi)星運行在宇宙空間中，空間環(huán)境中的各種高能粒子通過衛(wèi)星時可能會影響FPGA的邏輯狀態(tài)，空間環(huán)境下SRAM型FPGA受單粒子效應(yīng)的影響也越來越大，當(dāng)有單個重離子或高能粒子撞擊芯片電路時，會導(dǎo)致器件中存儲的配置數(shù)據(jù)邏輯值發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由原來存儲狀態(tài)的“1”翻轉(zhuǎn)為“0”，或者由原來存儲狀態(tài)的“0”翻轉(zhuǎn)為“1”，從而引發(fā)邏輯電路節(jié)點電平的改變，導(dǎo)致程序錯誤或系統(tǒng)功能異常，稱為單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)(SEU)。目前，從FPGA在星載型號產(chǎn)品中的使用情況來看，單粒子效應(yīng)成為了影響大規(guī)模FPGA可用性和可靠性的主要因素。FPGA中用戶程序是存儲在數(shù)以百萬計的配置單元中，單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的一個配置陣列的翻轉(zhuǎn)會使得整個程序失效。因此如何提高SRAM型FPGA的可靠性，研究針對單粒子翻轉(zhuǎn)的抗輻照加固技術(shù)成為SRAM型FPGA在空間應(yīng)用中的技術(shù)難點和關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)航天領(lǐng)域?qū)RAM型FPGA星載平臺的抗單粒子翻轉(zhuǎn)要求，本發(fā)明設(shè)計一款適合航天領(lǐng)域應(yīng)用的針對SRAM型FPGA的自主刷新裝置，涉及一種針對星載SRAM型FPGA的實時刷新裝置及其實時刷新方法、具有該實時刷新裝置的能實時刷新的星載SRAM型FPGA系統(tǒng)。

本發(fā)明的解決方案是：一種針對星載SRAM型FPGA的實時刷新裝置，其用于對SRAM型FPGA芯片進行定時刷新；該實時刷新裝置包括一片PROM芯片、一片刷新芯片、兩片晶振；該PROM芯片存儲該FPGA芯片的配置碼流，該兩片晶振分別為該FPGA芯片、該刷新芯片提供基準(zhǔn)時鐘；該刷新芯片通過檢測該FPGA芯片的Done信號來決定進入配置模式還是刷新模式，Done信號為低電平信號時，該刷新芯片自動進入配置模式，等待該FPGA芯片的配置完成；當(dāng)Done信號變高電平信號后，該刷新芯片自動進入刷新模式，檢測被刷芯片型號即該FPGA芯片型號，對該FPGA芯片進行盲刷操作；其中，該刷新芯片在配置過程中，會自動檢測該FPGA芯片的配置完成標(biāo)志Done信號，如超過預(yù)計的配置完成時間后還未檢測到Done信號變高電平信號，則意味著配置失敗，會自動在該FPGA芯片的Program端施加復(fù)位脈沖，進行重新配置。

作為上述方案的進一步改進，該刷新芯片采用型號為BSV2CQRH芯片。

作為上述方案的進一步改進，該PROM芯片采用型號為PROM XQ17V16CC44M芯片。

作為上述方案的進一步改進，BSV2CQRH芯片的1腳接PROM XQ17V16CC44M芯片的20腳，為PROM芯片提供輸出使能信號；BSV2CQRH芯片的3腳接PROM XQ17V16CC44M芯片的21腳，為PROM芯片提供片選信號；BSV2CQRH芯片的46腳接PROM XQ17V16CC44M芯片的5腳，為PROM芯片提供時鐘信號；BSV2CQRH芯片的45腳接PROM XQ17V16CC44M芯片的2腳，為配置數(shù)據(jù)和刷新數(shù)據(jù)的來源。

作為上述方案的進一步改進，該FPGA芯片采用型號為BQR2V3000RH芯片。

作為上述方案的進一步改進，BSV2CQRH芯片的23腳接FPGA芯片的C4腳；BSV2CQRH芯片的21腳接FPGA芯片的AC22腳；BSV2CQRH芯片的24腳接FPGA芯片的AG25腳，監(jiān)測FPGA芯片的Init信號；BSV2CQRH芯片的27腳接FPGA芯片的AF24腳；BSV2CQRH芯片的28腳接FPGA芯片的AA22腳。

作為上述方案的進一步改進，BSV2CQRH芯片的4腳接上拉電阻拉高，邏輯高時BSV2CQRH芯片處于工作狀態(tài)，會根據(jù)Done信號來決定是進行FPGA芯片是配置還是刷新；BSV2CQRH芯片的22腳接上拉電阻拉高，BSV2CQRH芯片對整個FPGA芯片執(zhí)行刷新操作。

作為上述方案的進一步改進，BSV2CQRH芯片的第9腳接外部晶振，BSV2CQRH芯片的所有信號通過第9腳的I_clk信號進行同步，要求50％的占空比，并使用時持續(xù)提供I_clk工作時鐘。

本發(fā)明還提供一種能實時刷新的星載SRAM型FPGA系統(tǒng)，其包括FPGA芯片、用于對SRAM型FPGA芯片進行定時刷新實時的刷新裝置；該刷新裝置為上述任意針對星載SRAM型FPGA的實時刷新裝置。

本發(fā)明還提供一種針對星載SRAM型FPGA的實時刷新方法，其應(yīng)用于上述任意針對星載SRAM型FPGA的實時刷新裝置；該實時刷新方法包括以下步驟：

1)系統(tǒng)上電后，該刷新芯片將PROM芯片中的數(shù)據(jù)讀取出來，寫入FPGA芯片中，此時FPGA芯片能處于主串或者從串配置模式；

2)FPGA芯片配置完成后，該刷新芯片回讀FPGA芯片的型號，根據(jù)FPGA芯片反饋的IDcode信號確定刷新數(shù)據(jù)的具體長度；

3)該刷新芯片在確定被刷FPGA芯片的型號后，從PROM芯片中讀取配置數(shù)據(jù)，并對配置數(shù)據(jù)進行處理；

4)若FPGA芯片發(fā)生單粒子功能中斷，該刷新芯片通過檢測Done信號端判斷是否需要對FPGA芯片進行重新配置，在確定Done信號端為低電平后，將通過Program端的Program信號對FPGA芯片進行重新配置。

本發(fā)明能夠適應(yīng)宇宙空間的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)、總劑量效應(yīng)等，大幅度降低了SRAM型FPGA刷新系統(tǒng)設(shè)計的難度和復(fù)雜度。

附圖說明

圖1是基于BSV2CQRH組成刷新系統(tǒng)框圖；

圖2a與圖2b是BSV2CQRH和PROM相連的電路原理圖，其中，為了清晰顯示附圖而將附圖分割成圖2a與圖2b進行顯示；

圖3a、圖3b與圖3c是BSV2CQRH和FPGA相連的電路原理圖，其中，為了清晰顯示附圖而將附圖分割成圖3a、圖3b與圖3c進行顯示；

圖4a與圖4b是BSV2CQRH相關(guān)的控制電路原理圖，其中，為了清晰顯示附圖而將附圖分割成圖4a與圖4b進行顯示。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的針對星載SRAM型FPGA的實時刷新裝置，其用于對SRAM型FPGA芯片進行定時刷新。實時刷新裝置與SRAM型FPGA芯片構(gòu)成能實時刷新的星載SRAM型FPGA系統(tǒng)的主體構(gòu)架。該實時刷新裝置包括一片PROM芯片、一片刷新芯片、兩片晶振。

該PROM芯片存儲該FPGA芯片的配置碼流，該兩片晶振分別為該FPGA芯片、該刷新芯片提供基準(zhǔn)時鐘。該刷新芯片通過檢測該FPGA芯片的Done信號來決定進入配置模式還是刷新模式，Done信號為低電平信號時，該刷新芯片自動進入配置模式，等待該FPGA芯片的配置完成。當(dāng)Done信號變高電平信號后，該刷新芯片自動進入刷新模式，檢測被刷芯片型號即該FPGA芯片型號，對該FPGA芯片進行盲刷操作。其中，該刷新芯片在配置過程中，會自動檢測該FPGA芯片的配置完成標(biāo)志Done信號，如超過預(yù)計的配置完成時間后還未檢測到Done信號變高電平信號，則意味著配置失敗，會自動在該FPGA芯片的Program端施加復(fù)位脈沖，進行重新配置。

本實施例的星載SRAM型FPGA的自主刷新技術(shù)主要由“BSV2CQRH(刷新芯片)+FPGA+PROM+晶振”等組成。整個能實時刷新的星載SRAM型FPGA系統(tǒng)，包括1片刷新芯片(BSV2CQRH芯片)、1片SRAM型FPGA芯片(BQR2V3000RH芯片)、1片PROM芯片(XQ17V16CC44M芯片)、2片晶振(ZA715)。

本發(fā)明主要針對星載SRAM型FPGA芯片進行實時刷新裝置的實現(xiàn)，實時刷新芯片BSV2CQRH是系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，實時刷新裝置主要由抗空間輻照的BSV2CQRH刷新芯片、SRAM型FPGA BQR2V3000RH、一次燒寫PROM存儲器XQ17V16CC44M、晶振ZA715等部分組成。BSV2CQRH具備串行模式配置FPGA和JTAG模式刷新FPGA的能力，BSV2CQRH放置于FPGA和配置PROM之間，起到數(shù)據(jù)交換的橋梁作用。若FPGA發(fā)生單粒子功能中斷(SEFI)，BSV2CQRH通過檢測Done信號端，判斷是否需要對FPGA進行重新配置，在確定Done端為低電平后，將通過Program信號對FPGA進行重新配置，以糾正SRAM型FPGA因宇宙空間輻射造成單粒子翻轉(zhuǎn)而造成的邏輯錯誤。

參見圖1，整個SRAM型FPGA刷新系統(tǒng)，是基于BSV2CQRH的刷新芯片，包括1片SRAM型FPGA(BQR2V3000RH)、1片PROM(XQ17V16CC44M)、1片BSV2CQRH刷新芯片、2片晶振(ZA715)。XQ17V16CC44M屬一次性燒寫PROM，存儲FPGA的配置碼流，ZA715分別為FPGA、BSV2CQRH提供基準(zhǔn)時鐘。BSV2CQRH通過檢測Done信號來決定進入配置模式還是刷新模式，Done信號為低時，BSV2CQRH自動進入配置狀態(tài)，等待FPGA配置完成。當(dāng)Done信號變高后，BSV2CQRH自動檢測被刷芯片型號，進行盲刷操作。BSV2CQRH在配置過程中，會自動檢測FPGA的配置完成標(biāo)志Done信號，如超過預(yù)計的配置完成時間后還未檢測到Done變高，則意味著配置失敗，會自動在Program端施加復(fù)位脈沖，進行重新配置。在刷新過程中，如檢測到Done信號變低，則意味著FPGA發(fā)生單粒子功能中斷，會立即在Program端施加復(fù)位脈沖，進行重新配置。

參見圖2a與圖2b，是BSV2CQRH與PROM的接口電路原理圖，BSV2CQRH的1腳接PROM XQ17V16CC44M的20腳，為PROM提供輸出使能信號；BSV2CQRH的3腳接PROM XQ17V16CC44M的21腳，為PROM提供片選信號；BSV2CQRH的46腳接PROM XQ17V16CC44M的5腳，為PROM提供時鐘信號；BSV2CQRH的45腳接PROM XQ17V16CC44M的2腳，為配置數(shù)據(jù)和刷新數(shù)據(jù)的來源。

參見圖3a、圖3b與圖3c，BSV2CQRH和FPGA(BQR2V3000RH)的接口電路原理圖：BSV2CQRH的23腳接FPGA的C4腳，BSV2CQRH在配置過程中，會自動檢測FPGA的配置完成標(biāo)志Done信號，如超過預(yù)計的配置完成時間后還未檢測到Done變高，則意味著配置失敗，會自動在Program端施加復(fù)位脈沖，進行重新配置。在刷新過程中，如檢測到Done信號變低，則意味著FPGA發(fā)生單粒子功能中斷，會立即在Program端施加復(fù)位脈沖，進行重新配置；BSV2CQRH的21腳接FPGA的AC22腳，BSV2CQRH是通過檢測Done信號來決定進入配置模式還是刷新模式。Done信號為低時，BSV2CQRH自動進入配置狀態(tài)，等待FPGA配置完成。當(dāng)Done信號變高后，BSV2CQRH自動檢測被刷芯片型號，進行盲刷操作；BSV2CQRH的24腳接FPGA的AG25腳，監(jiān)測FPGA的Init信號。配置狀態(tài)下，該信號為高電平時，BSV2CQRH使能PROM的數(shù)據(jù)輸出。該信號為低電平時，BSV2CQRH停止使能PROM的輸出；BSV2CQRH的27腳接FPGA的AF24腳，在配置狀態(tài)下，通過該端口將碼流發(fā)送給FPGA，配置完成后，輸出高阻；BSV2CQRH的28腳接FPGA的AA22腳，在配置狀態(tài)下，F(xiàn)PGA通過該端口將配置時鐘發(fā)送給BSV2CQRH。

參見圖4a與圖4b，BSV2CQRH的控制電路原理圖：BSV2CQRH的4腳接上拉電阻拉高，邏輯高時芯片處于工作狀態(tài)，會根據(jù)Done信號來決定是進行FPGA配置還是刷新；BSV2CQRH的22腳接上拉電阻拉高，BSV2CQRH對整個FPGA執(zhí)行刷新操作。BSV2CQRH的第9腳接外部晶振，BSV2CQRH的所有信號通過第9腳I_clk信號進行同步，要求50％的占空比，使用時持續(xù)提供I_clk工作時鐘，這樣才能確保刷新周期的完整性。

上述針對星載SRAM型FPGA的實時刷新裝置的具體過程為即針對星載SRAM型FPGA的實時刷新方法為：

1)系統(tǒng)上電后，BSV2CQRH將PROM中的數(shù)據(jù)讀取出來，通過FPGA的第AF24腳D0端寫入FPGA中，此時FPGA可處于主串或者從串配置模式。經(jīng)過刷新芯片完成配置，和直接用PROM完成配置的時間消耗完全相同。

2)FPGA配置完成后，BSV2CQRH通過JTAG端口回讀FPGA的型號，根據(jù)FPGA反饋的IDcode確定刷新數(shù)據(jù)的具體長度。

3)BSV2CQRH在確定被刷FPGA型號后，從PROM中讀取配置數(shù)據(jù)，并對配置數(shù)據(jù)進行處理。在用戶不使用SRL16和LUTRAM的前提下，可以保證用戶設(shè)計的工作不受影響。

4)若FPGA發(fā)生單粒子功能中斷(SEFI)，BSV2CQRH通過檢測Done端判斷是否需要對FPGA進行重新配置，在確定Done端為低電平后，將通過Program信號對FPGA進行重新配置。

本發(fā)明主要針對SRAM型FPGA定時刷新的實現(xiàn)，定時刷新芯片是系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，BSV2CQRH是通過檢測Done信號來決定進入配置模式還是刷新模式。Done信號為低時，BSV2CQRH自動進入配置狀態(tài)，等待FPGA配置完成。當(dāng)Done信號變高后，BSV2CQRH自動檢測被刷芯片型號，進行盲刷操作。BSV2CQRH在配置過程中，會自動檢測FPGA的配置完成標(biāo)志Done信號，如超過預(yù)計的配置完成時間后還未檢測到Done變高，則意味著配置失敗，會自動在第23腳Program端施加復(fù)位脈沖，進行重新配置。在刷新過程中，如檢測到DONE信號變低，則意味著FPGA發(fā)生單粒子功能中斷，會立即在Program端施加復(fù)位脈沖，進行重新配置。

本發(fā)明使用的BSV2CQRH刷新芯片，是中國航天科技集團公司第九研究院第772所研發(fā)抗輻照單粒子加固的FPGA刷新芯片BSV2CQRH。BSV2CQRH是一款專門針對SRAM型FPGA的配置存儲器進行刷新的芯片，BSV2CQRH采用了高可靠的抗單粒子翻轉(zhuǎn)加固設(shè)計技術(shù)，其抗總劑量能力大于100Krad(Si)，抗單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)LET閾值大于37MeV/cm²/mg，抗單粒子鎖定(SEL)閥值大于75MeV/cm²/mg。BSV2CQRH刷新芯片支持Xilinx公司Virtex2系列XQ2VR1000、XQ2VR3000、XQ2VR6000耐輻照FPGA，以及與上述產(chǎn)品完全功能兼容的航天772所的BQ2VR1000、BQ2VR3000、BQ2VR6000型宇航級FPGA系列產(chǎn)品。

BSV2CQRH的刷新特性如下：

●自動識別和匹配目標(biāo)FPGA芯片；

●支持配置模式：主串、從串；

●利用JTAG接口進行刷新，接口簡單且不占用IOB資源；

●采用盲刷方式，覆蓋除BRAM內(nèi)容以外的所有配置碼流；

●刷新控制簡潔，僅需用戶提供刷新時鐘信號和刷新使能信號；

●支持Xilinx公司XC17、XC18、XCF和XQ系列存儲器。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。