CN114924808B - 一种基于双份存储程序的sram型fpga在轨可靠加载方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双份存储程序的SRAM型FPGA在轨可靠加载方法，该方法包括以下步骤：在FPGA配置程序bin文件中划分校验单元并***CRC校验；将加入校验的FPGA配置程序bin文件分两次注入NORFlash中的不同位置；在轨上电时，反熔丝FPGA选择出正确的FPGA配置程序bin文件数据加载SRAM型FPGA；SRAM型FPGA成功启动后，根据NORFlash中的校验情况，对出现比特翻转的Block进行重写。本发明通过NORFlash中的双份程序实现SRAM型FPGA的加载，在保证可靠性的基础上，减少了对NORFlash容量的需求；具有SRAM型FPGA配置文件在轨错误检测、更新机制，极大的减少了在轨长时间工作情况下双份程序同一位置被单粒子打翻概率，大大提高了SRAM型FPGA配置程序的可靠性。

Description

一种基于双份存储程序的SRAM型FPGA在轨可靠加载方法

技术领域

本发明涉及航天器技术领域，特别是一种基于双份存储程序的SRAM型FPGA在轨可靠加载方法。

背景技术

SRAM型FPGA具有重复编程的优点，需要上电进行加载配置。SRAM型FPGA在轨工作中，芯片本身及其配置存储器都面临单粒子效应威胁，尤其是存储器中的配置程序一旦出现单粒子翻转，则会导致FPGA无法成功加载，若翻转的配置程序无法恢复，更会导致分机或***失效的灾难性故障。使用单粒子翻转阈值高的PROM可有效保护配置程序，但PROM容量小，往往需要多片才能满足存储容量需求；且PROM无法重复擦写，因而FPGA失去在轨更新能力。使用NORFlash作为配置存储芯片具有可重复擦写的优点，配置程序可在轨重构，但NORFlash的翻转阈值相对较低。通常需要使用三片NORFlash进行芯片级三模，或者单片内存储3份程序实现三模冗余设计。前者需要的芯片数量多；后者在存储大容量配置文件时，对NORFlash芯片容量有较大需求，而大容量的NORFlash具有更大的尺寸，更高的价格，造成PCB布板难度和研制成本的增加。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于双份存储程序的SRAM型FPGA在轨可靠加载方法，通过两份带有校验信息的bin文件，实现对SRAM型FPGA加载文件的正确选择；成功加载后，通过周期性的对NORFlash中的bin文件进行校验，更新出现比特翻转的数据，避免错误数据累积。

本发明公开了一种基于双份存储程序的SRAM型FPGA在轨可靠加载方法，包括以下步骤：

步骤1：在FPGA配置程序bin文件中划分校验单元并***CRC校验；

步骤2：将加入校验的FPGA配置程序bin文件分两次注入NORFlash中的不同位置；

步骤3：在轨上电时，反熔丝FPGA选择出正确的FPGA配置程序bin文件数据加载SRAM型FPGA；

步骤4：SRAM型FPGA成功启动后，根据NORFlash中的校验情况，对出现比特翻转的Block进行重写。

进一步地，所述步骤1具体包括：

步骤1-1：利用FPGA开发工具生成FPGA配置程序bin文件；

步骤1-2：根据NORFlash块的大小，定义校验单元的大小为N个字节；每个NORFlash块包括至少一个校验单元；每个校验单元由bin文件数据和CRC校验位构成；

步骤1-3：每个校验单元从FPGA配置程序bin文件中的首个字节开始依次取出N-2个字节数据，末尾不足N-2个字节则补0至N-2个字节；并根据CRC16校验方法分别生成每个校验单元内的CRC校验值。

进一步地，所述步骤2具体包括：

步骤2-1：初次注入加入校验的FPGA配置程序bin文件时，NORFlash中没有配置程序，无法启动，需使用JTAG接口在线下载FPGA程序，使FPGA工作；

步骤2-2：外部通信接口分两次将同一份加入校验的FPGA配置程序bin文件送入SRAM型FPGA，SRAM型FPGA将解析通信协议后的加入校验的FPGA配置程序bin文件传输至反熔丝FPGA；反熔丝FPGA将两份加入校验的FPGA配置程序bin文件分别写入NORFlash中的不同位置。

进一步地，所述步骤3具体包括：

步骤3-1：在轨上电时，反熔丝FPGA首先取NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件加载SRAM型FPGA；

步骤3-2：若NORFlash中存储的第一份bin文件无法加载，反熔丝FPGA则取NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件加载SRAM型FPGA；

步骤3-3：若NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件无法加载，反熔丝FPGA从两份程序中按校验单元顺序选择出正确的FPGA配置程序bin文件数据加载SRAM型FPGA。

进一步地，所述步骤3-1具体包括：

步骤3-1-1：上电时，反熔丝FPGA取NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件，跳过每个校验单元内的校验位，直接将数据传输至SRAM型FPGA进行加载；

步骤3-1-2：在NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件传输至SRAM型FPGA之后，反熔丝FPGA通过SRAM型FPGA的done信号判断FPGA是否成功加载。

进一步地，所述步骤3-2具体包括：

步骤3-2-1：反熔丝FPGA取NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件，跳过每个校验单元内的校验位，直接将数据传输至SRAM型FPGA进行加载；

步骤3-2-2：在NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件传输至SRAM型FPGA之后，反熔丝FPGA通过SRAM型FPGA的done信号判断FPGA是否成功加载。

进一步地，所述步骤3-3具体包括：

步骤3-3-1：反熔丝FPGA首先取NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件的第一个校验单元进行CRC校验，若校验正确，则将数据传输至SRAM型FPGA；若校验错误，则取NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件的第一个校验单元进行校验，校验正确则将数据传输至SRAM型FPGA；

步骤3-3-2：反熔丝FPGA按步骤3-3-1的方式在两份FPGA配置程序bin文件中顺序从各校验单元中选出正确的数据加载SRAM型FPGA。

进一步地，所述步骤4具体包括：

步骤4-1：该数字电路正常工作后，反熔丝FPGA周期地对NORFlash中的FPGA配置程序bin文件进行校验，并将校验错误的Block块号报给SRAM型FPGA，SRAM型FPGA将错误NORFlash块的序号通过外部通信接口发送给星务计算机，最终通过数字遥测下传给地面；

步骤4-2：地面可通过星地通信链路将校验错误的NORFlash块内所有正确的校验单元重新上传给卫星，SRAM型FPGA通过外部通信接口获取重新注入的校验单元并发送给反熔丝FPGA，反熔丝FPGA将该校验单元写入NORFlash的原有位置，最终实现错误数据的更新。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：(1)本发明通过NORFlash中的双份程序实现SRAM型FPGA的加载，在保证可靠性的基础上，减少了对NORFlash容量的需求；(2)本发明具有SRAM型FPGA配置文件在轨错误检测、更新机制，极大的减少了在轨时间长时工作情况下双份程序同一位置被单粒子打翻概率，大大提高了SRAM型FPGA配置程序的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种基于双份存储程序的SRAM型FPGA在轨可靠加载方法流程图示意图；

图2为本发明实施例的一种校验单元的划分方式的示意图；

图3为本发明实施例的一种SRAM型FPGA配置程序注入框图；

图4为本发明实施例的一种反熔丝FPGA选择加载文件方法的示意图。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，显然，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

实施例一：

参见图1，本发明提供了一种基于双份存储程序的SRAM型FPGA在轨可靠加载方法的实施例，其包括以下步骤：

步骤1：在FPGA配置程序bin文件中划分校验单元并***CRC校验。

步骤1-1：利用FPGA开发工具生成FPGA配置程序bin文件。

步骤1-2：根据NORFlash块(Block)大小，定义校验单元大小为N字节。一个Block内可包含一个或多个校验单元。NORFlash通常按字进行操作，可使用CRC16校验算法，校验位为2字节，一个校验单元内文件可存放的FPGA配置程序bin文件数据为N-2字节。FPGA配置程序bin文件数据和CRC校验位共同构成一个校验单元。

步骤1-3：每个校验单元从前至后依次从bin文件中依次取出N-2字节数据，末尾不足N-2字节则补0至N-2字节。并根据CRC16校验方法分别生成每个校验单元内的CRC校验值。***校验的FPGA配置程序bin文件如图2所示。

步骤2：将加入校验的bin文件分两次注入NORFlash中的不同位置。

步骤2-1：初次注入加入校验的FPGA配置程序bin文件时，NORFlash中没有配置程序，无法启动，需使用JTAG接口在线下载FPGA程序，使FPGA工作。

步骤2-2：外部通信接口分两次将同一份加入校验的FPGA配置程序bin文件送入SRAM型FPGA，SRAM型FPGA将解析通信协议后的加入校验的FPGA配置程序bin文件送给反熔丝FPGA。反熔丝FPGA将两份加入校验的FPGA配置程序bin文件分别写入NORFlash中的不同位置。

步骤3：在轨上电时，反熔丝FPGA优先取第一份FPGA配置程序bin文件加载SRAM型FPGA。

步骤3-1：上电时，反熔丝FPGA取NORFlash中存储的第一份bin文件，跳过每个校验单元内的校验位，直接将数据送给SRAM型FPGA进行加载，见图3的a路径。此步的依据为：单粒子事情的发生是小概率事件，且断电状态下Flash的翻转阈值高，在轨上电时，NORFlash中的配置程序大概率未翻转。此步的目的为：缩短正常情况下SRAM型FPGA的加载时间，如采取对第一份程序先校验再加载的方式需两次读NORFlash，时间比直接加载长1倍时间。

步骤3-2：NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件全送给SRAM型FPGA后，反熔丝FPGA通过SRAM型FPGA的done信号判断FPGA是否成功加载。

步骤4：若NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件无法加载，反熔丝FPGA则取第二份FPGA配置程序bin文件加载SRAM型FPGA。

步骤4-1：反熔丝FPGA取NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件，跳过每个校验单元内的校验位，直接将数据送给SRAM型FPGA进行加载，见图3的b路径。

步骤4-2：NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件全送给SRAM型FPGA后，反熔丝FPGA通过SRAM型FPGA的done信号判断FPGA是否成功加载。

步骤5：若NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件无法加载，反熔丝FPGA从两份程序中按校验单元顺序选择出正确的bin文件数据加载SRAM型FPGA。

步骤5-1：反熔丝FPGA优先取第一份FPGA配置程序bin文件第一个校验单元进行CRC校验，若校验正确，则将数据送给SRAM型FPGA；若校验错误，则取第二份bin文件第一个校验单元进行校验，校验正确则将数据送给SRAM型FPGA，见图3的c路径。此步的依据为：单粒子事情发生的概率小，NORFlash中不同bin文件的同一个校验单元同时被单粒子打翻的概率极小，因此至少有一个校验单元的数据能用于程序加载，保证了可靠性。

步骤5-2：反熔丝FPGA按步骤5-1的方式在两份FPGA配置程序bin文件中顺序从各校验单元中选出正确的数据加载SRAM型FPGA。

步骤6：SRAM型FPGA成功启动后，根据NORFlash中的校验情况，对出现比特翻转的Block进行重写。

步骤6-1：该数字电路正常工作后，反熔丝FPGA周期地对NORFlash中的FPGA配置程序bin文件进行校验，并将校验错误的Block块的序号报给SRAM型FPGA，SRAM型FPGA将错误块号通过外部通信接口发送给星务计算机，最终通过数字遥测下传给地面。

步骤6-2：地面可通过星地通信链路将校验错误的Block块号内所有正确的校验单元重新上传给卫星，SRAM型FPGA通过外部通信接口获取重新注入的校验单元并发送给反熔丝FPGA，反熔丝FPGA将该校验单元写入NORFlash的原有位置，最新实现错误数据的更新。

实施例二：

为了便于理解，本发明给出了一个更为具体的实施例：

某电路SRAM型FPGA选用XC7K325T-2FFG900I，反熔丝FPGA选用A54SX72ACQ208B，NORFlash选用256Mb的VDRF256M16RS54MS4V90。K7FPGAbin文件为11443612Byte，256Mb的NORFlash最多仅能存储两份程序。利用本方法加载SRAM型的步骤如下：

第一步，在K7FPGA的bin文件内划分校验单元，每65534Byte***校验多项式为G(x)＝x¹⁶+x¹⁰+x²+1的CRC16校验，每个校验单元为65536Byte(1个NORFlashBlock大小)。***校验后bin文件总共有175个校验单元，文件大小为11468800Byte。

第二步，使用JTAG调试接口在线下载FPGA程序，将***校验的bin文件分别注入NORFlash的不同位置。

第三步，重新上电后，反熔丝FPGA优先取NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件加载SRAM型FPGA，约4秒第一份程序被成功启动。

第四步，参见图4，若NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件无法加载，反熔丝FPGA则取NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件加载SRAM型FPGA。为模拟该过程，将第一份程序的第一个Block注入校验错误的程序，重新上电后，约8秒钟第二份程序被成功启动。

第五步，若NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件无法加载，反熔丝FPGA从NORFlash中存储的两份程序中按校验单元顺序选择出正确的FPGA配置程序bin文件数据加载SRAM型FPGA。为模拟该过程，在第一份FPGA配置程序bin文件的第一个Block数据已错误的基础上，再将第二份FPGA配置程序bin的第二个Block注入校验错误的数据，重新上电后，约16秒钟后FPGA成功启动。

第六步，SRAM型FPGA成功启动后，根据NORFlash中的校验情况，对出现比特翻转的Block进行重写。SRAM型FPGA将校验错误的第一份bin文件第一个Block和第二份程序第二个Block的位置上报，利用SRAM型FPGA外部通信接口将正确的数据分别写入上述两个Block内。

上述措施可以使得配置程序单粒子翻转导致无法加载的概率降低为常规单份配置文件手段的1/174，大大提高了程序加载的可靠性。

以上以XC7K325T-2FFG900I、A54SX72ACQ208B、VDRF256M16RS54MS4V90三个器件为例说明了本发明的实施过程，但是本发明对不同选型的其它器件同样适用。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于双份存储程序的SRAM型FPGA在轨可靠加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在FPGA配置程序bin文件中划分校验单元并***CRC校验；

步骤2：将加入校验的FPGA配置程序bin文件分两次注入NORFlash中的不同位置；

步骤3：在轨上电时，反熔丝FPGA选择出正确的FPGA配置程序bin文件数据加载SRAM型FPGA；

步骤4：SRAM型FPGA成功启动后，根据NORFlash中的校验情况，对出现比特翻转的Block进行重写；

所述步骤2具体包括：

步骤2-1：初次注入加入校验的FPGA配置程序bin文件时，NORFlash中没有配置程序，无法启动，需使用JTAG接口在线下载FPGA程序，使FPGA工作；

步骤2-2：外部通信接口分两次将同一份加入校验的FPGA配置程序bin文件送入SRAM型FPGA，SRAM型FPGA将解析通信协议后的加入校验的FPGA配置程序bin文件传输至反熔丝FPGA；反熔丝FPGA将两份加入校验的FPGA配置程序bin文件分别写入NORFlash中的不同位置；

所述步骤4具体包括：

步骤4-1：数字电路正常工作后，反熔丝FPGA周期地对NORFlash中的FPGA配置程序bin文件进行校验，并将校验错误的Block块号报给SRAM型FPGA，SRAM型FPGA将错误NORFlash块的序号通过外部通信接口发送给星务计算机，最终通过数字遥测下传给地面；

步骤4-2：地面可通过星地通信链路将校验错误的NORFlash块内所有正确的校验单元重新上传给卫星，SRAM型FPGA通过外部通信接口获取重新注入的校验单元并发送给反熔丝FPGA，反熔丝FPGA将该校验单元写入NORFlash的原有位置，最终实现错误数据的更新。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤1-1：利用FPGA开发工具生成bin文件；

步骤1-2：根据NORFlash块的大小，定义校验单元的大小为N个字节；每个NORFlash块包括至少一个校验单元；每个校验单元由bin文件数据和CRC校验位构成；

步骤1-3：每个校验单元从bin文件中的首个字节开始依次取出N-2个字节数据，末尾不足N-2个字节则补0至N-2个字节；并根据CRC16校验方法分别生成每个校验单元内的CRC校验值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤3-1：在轨上电时，反熔丝FPGA首先取NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件加载SRAM型FPGA；

步骤3-2：若NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件无法加载，反熔丝FPGA则取NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件加载SRAM型FPGA；

步骤3-3：若NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件无法加载，反熔丝FPGA从两份程序中按校验单元顺序选择出正确的FPGA配置程序bin文件数据加载SRAM型FPGA。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3-1具体包括：

步骤3-1-1：上电时，反熔丝FPGA取NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件，跳过每个校验单元内的校验位，直接将数据传输至SRAM型FPGA进行加载；

步骤3-1-2：在NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件传输至SRAM型FPGA之后，反熔丝FPGA通过SRAM型FPGA的done信号判断FPGA是否成功加载。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3-2具体包括：

步骤3-2-1：反熔丝FPGA取NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件，跳过每个校验单元内的校验位，直接将数据传输至SRAM型FPGA进行加载；

步骤3-2-2：在NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件传输至SRAM型FPGA之后，反熔丝FPGA通过SRAM型FPGA的done信号判断FPGA是否成功加载。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3-3具体包括：

步骤3-3-1：反熔丝FPGA首先取NORFlash中存储的第一份FPGA配置程序bin文件的第一个校验单元进行CRC校验，若校验正确，则将数据传输至SRAM型FPGA；若校验错误，则取NORFlash中存储的第二份FPGA配置程序bin文件的第一个校验单元进行校验，校验正确则将数据传输至SRAM型FPGA；

步骤3-3-2：反熔丝FPGA按步骤3-3-1的方式在两份FPGA配置程序bin文件中顺序从各校验单元中选出正确的数据加载SRAM型FPGA。

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