Xilinx FPGA自主配置管理容错设计研究

针对SRAM型FPGA在空间辐射环境下容易受到单粒子效应影响的问题,在分析可重配置的Xilinx FPGA的结构和故障模式的基础上,提出一种基于自主配置管理的Xilinx FPGA容错设计方案。综合运用诸如逻辑电路三模冗余、块存储器EDAC校验、动态回读、动态局部重配置及周期全局重配置等方法实现故障的屏蔽、检测和修复。该方案覆盖了FPGA的各种单粒子效应故障模式,并且在芯片内部实现了自主配置管理,具有体积小、成本低、可靠性高的特点。     

辐射效应对SRAM型FPGA可靠性的影响分析

分析了空间辐射环境对SRAM型FPGA可靠性的影响,总结归纳了空间应用SRAM型FPGA的故障模式,供FPGA产品设计人员参考。     

一种SRAM型FPGA内嵌CPU软核的SEU效应防护设计与验证

SRAM型FPGA内嵌CPU软核开发成本低、开发过程灵活,可以替代独立的DSP或CPU器件,执行星载设备核心控制功能。但这种内嵌CPU软核容易受到空间单粒子翻转效应(SEU)的影响。SEU可能导致内嵌CPU软核的硬件或软件故障,对其在轨应用影响较大。提出一种针对SRAM型FPGA内嵌CPU软核的SEU防护方案,通过"三模冗余+动态刷新"对CPU软核的硬件结构进行防护,通过冗余自刷新模块替换对CPU软核的存储区进行防护。该方案经过了软件注错验证及粒子辐照试验验证,证明其能够有效提高SRAM型FPGA内嵌CPU软核对SEU的容错能力。     

一种面向航天应用的高可靠FPGA设计架构研究

SRAM型FPGA广泛应用于航天领域,但在空间环境中容易发生单粒子翻转事件(SEU),影响系统正常功能。文章在分析以往SRAM型FPGA系统设计的不足后提出了一种采用三模冗余架构(TMR)并对FPGA配置区域进行刷新重载的解决方案,采用马尔可夫模型对该设计方案进行了可靠性评估和仿真。结果表明,采用该架构的FPGA设计具有较高的可靠性与安全性,可实现宇航用FPGA的长期稳定运行。     

一种星载计算机操作系统容错引导算法研究

将软件冗余备份与SPARC V8构架芯片EDAC相结合,提出了一种新型星载计算机操作系统容错引导算法。该算法首先在EEPROM中备份三份操作系统文件,星载机上电或复位后,利用硬件EDAC功能对引导的操作系统文件进行错误检测及纠错,当检测主操作系统文件错误并且无法纠错时,则屏蔽错误操作系统文件自动引导备份操作系统文件,星载机仍可正常启动。与目前采用的硬件编码容错技术及软件冗余容错算法相比,该算法在有效降低硬件成本和软件消耗的同时,实现了对操作系统文件的检错纠错及错误屏蔽功能,提高了操作系统数据的可靠性。该算法可以为星载机容错设计提供参考。     

一种低成本纳卫星星载计算机容错方法

为了提高纳卫星星载计算机系统的可靠性,减少体积、质量及功耗等多方面因素的影响,文章提出了一种软硬件结合的低成本容错设计方法。将星载计算机硬件采用双机冗余冷备份方案,通过现场可编程门阵列(FPGA)对故障处理器进行仲裁切换;软件容错通过错误检测与纠正(EDAC)信息容错技术的实现,对星载计算机整体程序进行纠错检错,以对抗单粒子翻转事件。结果表明:该方法能够对星载计算机系统进行有效的故障切换处理,并降低单粒子事件的不良影响,可以在纳卫星系统中推广应用。     

应用国产芯片的星载高可靠综合电子系统设计

星载综合电子系统是面向空间复杂不确定环境,通过高性能计算单元实现信息获取、资源调度及任务规划的信息系统。针对目前综合电子系统的高可靠性和国产自主可控性的不足,文章设计了一种应用国产高性能CPU和SRAM型FPGA的星载高可靠综合电子系统,具备多模冗余和故障自主检测恢复能力。同时,提出了具备防误触发设计的短时断电恢复方法以及具有容错模块的双机备用系统设计方法,解决了星载常加电单机的单粒子闩锁恢复问题,建立马尔可夫容错模型计算综合电子系统的可靠性指标,提高了可靠度计算的准确性。     

应用EDAC容错技术的星载软件堆栈溢出实时检测方法

针对常见的星载软件堆栈溢出问题,提出了一种应用错误监测与纠正(EDAC)容错技术的堆栈溢出实时检测方法。以采用BM3803处理器的星载软件为例,通过处理器提供的内存造错和EDAC机制,对软件堆栈设置雷区和隔离区,通过陷阱程序感知堆栈生长过程,记录堆栈使用深度,并实时检测堆栈溢出。对核心模块的性能测试及堆栈检测实例验证表明:该方法实现简单,对软件性能几乎没有影响,使软件可以在线实时检测堆栈使用深度。软件在堆栈溢出时仍能自主可控,避免"跑飞"崩溃,大大提高其可靠性。     

星载设备FPGA可靠性设计探讨

可编程逻辑器件(FPGA)在星载设备中的应用越来越广泛,其可靠性面临越来越大的挑战。本文针对星载设备FPGA可靠性设计存在的问题,从整体设计、可靠性编码、状态机操作和SRAM接口设计4个方面进行深入分析,并就状态机操作进行了重点讨论,供相关设计人员参考。     

Xilinx SRAM型FPGA抗辐射设计技术研究

针对Xilinx SRAM型FPGA在空间应用中的可行性，分析了Xilinx SRAM型FPGA的结构，以及空间辐射效应对这种结构FPGA的影响，指出SRAM型的FPGA随着工艺水平的提高、器件规模的增大和核电压的降低，抗总剂量效应不断提高，抵抗单粒子效应，尤其是单粒子翻转和单粒子瞬态脉冲的能力降低。分析了FPGA综合后常见的Half-latch在辐射环境中的影响并结合实际工程实践给出了解决上述问题的一些有用办法和注意事项，如，冗余设计、同步设计、算术逻辑运算结果校验、白检等。最后还提出一种基于COTS器件的“由顶到底”的星载信号处理平台结构，分析了这种结构在抵抗辐射效应时的优势。有关FPGA抗辐射的可靠性设计方法已经在某卫星通信载道中成功应用，并通过了各种卫星环境试验，该技术可以为有关航天电子设备设计提供参考。     

星载计算机存储器的滞后检错纠错方法

本文针对在使用新型商用处理器构建航天器容错计算机系统的过程中 ,商用处理器的高速处理能力要求与存储器检错纠错对速度的影响之间的矛盾 ,提出了一种新的存储器校验方式———滞后校验来解决这个矛盾 ,并尝试把这种校验方式和具有多位纠错能力的RS (Reed -Solomon)编码结合起来完成存储器的校验 ,最后本文探讨了这种校验方式所带来的问题 ,并提出解决构想     

航天器姿态容错控制技术研究现状与发展

更远、更复杂的人类空间探测任务要求航天器具有更高的可靠性,因此航天器的容错控制技术受到了广泛关注。对航天器姿态系统的容错控制技术发展现状进行了分析,总结了国内外近年来航天器姿态容错控制的成果,重点分析了利用自适应控制、滑模控制、模糊控制、神经网络控制等理论开展容错控制的进展,并分别阐述了采用不同技术途径发展容错控制的优缺点。最后,展望了航天器姿态容错控制技术未来的发展。     

航天器控制应用的星载计算机技术

介绍了中国研制的用于近地轨道、太阳同步轨道和地球同步轨道航天器的几种主要星载容错计算机的功能和主要特点以及它们的容错结构,并简述了星载控制计算机的发展趋势。     

计算机RAM检错纠错电路的设计与实现

分析了在空间环境下影响RAM可靠性的主要因素及主要故障模式,介绍了利用FPGA实现RAM 检错纠错电路的方法,给出了仿真结果,并将此方法同用中小规模集成电路实现RAM EDAC的方法进行了比较。     

The importance of downstream aspects: what can space offer the user?

This report on the commercial benefits of space does not seek to cover in depth all user sectors, but rather to establish an overview of what can be expected by users from the use of space. The growth of applications of technology to projects in the space field has been so rapid and broad, that it has overtaken the level of awareness by many sectors of the community of the benefits that space applications can offer. There is therefore a great need to broaden and deepen the level of awareness by many in the world community of what space is all about. These opportunities apply as much to the developing countries of the world as the developed ones.     

一种双冗余总线多处理机容错系统的探讨

随着空间技术的发展,未来的高级航天活动需要高性能高可靠的星上计算机。本文提出了一种松耦合配置的具有双冗余总线的多处理机容错系统模型,阐述了这种系统的特点,给出了系统的结构框图,最后对实现该系统的一些主要技术问题进行了讨论。     

基于Markov链的FSM容软错误设计

随着深亚微米工艺的广泛应用,持续攀升的软错误率对宇航设备的电路可靠性造成了极大影响。针对现有冗余防护技术面积开销大的不足,将概率统计的思想运用到有限状态机（FSM）的软容错设计上,提出了选择部分状态冗余的容错方法。在Markov链模型的基础上,计算出各状态概率,从而为状态冗余提供依据。与未经选择状态冗余的电路相比,以平均增加14.9%的面积开销为代价,这种电路可屏蔽87.6%的时序逻辑单翻转（SEU）。
     

通用容错测试仪GFTE的设计与实现

故障注入是一种有效的测试和评价容错机制的方法 ,可被普遍应用于容错计算机系统开发的各个阶段中。本文提出了一种基于嵌入式故障注入的容错设备测试方案 ,称之为GFTE ,是针对以 80 4 86 ,80 386 ,80 86为处理器的容错计算机系统设计的。文中详细讨论了GFTE的三个组成部分 :测控模块、通用管理模块和注入器的设计 ,并介绍了这三个部分所采用的实现方法     

运载火箭并联双机姿控配平策略研究

运载火箭并联双机是一种常见的发动机推力矢量控制(Thrust Vector Control,TVC)方案，发动机与伺服机构可组合出不同的控制布局。针对液体运载火箭典型的4种并联双机摆发动机控制布局，开展了故障动力学建模仿真研究，基于运载火箭比例微分(Proportional Differential,PD)姿控方法，比对分析了不同故障模式的姿控配平结果，优选了并联双机摆发动机控制布局，最后应用控制重分配技术验证了故障下放宽滚动通道性能策略的有效性，结果表明不同的推力矢量布局故障适应能力不同，姿态重构技术在发动机推力较大故障下仍可保证运载火箭良好的姿控性能与稳定能力。