一种实时刷新装置及其方法、具有该实时刷新装置的系统与流程

本发明涉及一种实时刷新装置及其实时刷新方法、具有该实时刷新装置的系统，尤其涉及一种针对星载SRAM型FPGA的实时刷新装置及其实时刷新方法、具有该实时刷新装置的能实时刷新的星载SRAM型FPGA系统。

背景技术：

随着我国经济建设和国防建设的日益发展，卫星的应用范围越来越广泛，如用于通信和信号转发、用于观察气象、地形地貌、全球定位与导航等。在大量应用的推动下，卫星的需求量日益增长，卫星整体性能要求不断提高。

随着微电子技术飞速发展，现场可编程门阵列(FPGA)由于灵活性高、成本低以及动态可重构特性等特点，在航天系统得到广泛应用。但卫星运行在宇宙空间中，空间环境中的各种高能粒子通过卫星时可能会影响FPGA的逻辑状态，空间环境下SRAM型FPGA受单粒子效应的影响也越来越大，当有单个重离子或高能粒子撞击芯片电路时，会导致器件中存储的配置数据逻辑值发生翻转，由原来存储状态的“1”翻转为“0”，或者由原来存储状态的“0”翻转为“1”，从而引发逻辑电路节点电平的改变，导致程序错误或系统功能异常，称为单粒子翻转效应(SEU)。目前，从FPGA在星载型号产品中的使用情况来看，单粒子效应成为了影响大规模FPGA可用性和可靠性的主要因素。FPGA中用户程序是存储在数以百万计的配置单元中，单粒子效应导致的一个配置阵列的翻转会使得整个程序失效。因此如何提高SRAM型FPGA的可靠性，研究针对单粒子翻转的抗辐照加固技术成为SRAM型FPGA在空间应用中的技术难点和关键。

技术实现要素：

根据航天领域对SRAM型FPGA星载平台的抗单粒子翻转要求，本发明设计一款适合航天领域应用的针对SRAM型FPGA的自主刷新装置，涉及一种针对星载SRAM型FPGA的实时刷新装置及其实时刷新方法、具有该实时刷新装置的能实时刷新的星载SRAM型FPGA系统。

本发明的解决方案是：一种针对星载SRAM型FPGA的实时刷新装置，其用于对SRAM型FPGA芯片进行定时刷新；该实时刷新装置包括一片PROM芯片、一片刷新芯片、两片晶振；该PROM芯片存储该FPGA芯片的配置码流，该两片晶振分别为该FPGA芯片、该刷新芯片提供基准时钟；该刷新芯片通过检测该FPGA芯片的Done信号来决定进入配置模式还是刷新模式，Done信号为低电平信号时，该刷新芯片自动进入配置模式，等待该FPGA芯片的配置完成；当Done信号变高电平信号后，该刷新芯片自动进入刷新模式，检测被刷芯片型号即该FPGA芯片型号，对该FPGA芯片进行盲刷操作；其中，该刷新芯片在配置过程中，会自动检测该FPGA芯片的配置完成标志Done信号，如超过预计的配置完成时间后还未检测到Done信号变高电平信号，则意味着配置失败，会自动在该FPGA芯片的Program端施加复位脉冲，进行重新配置。

作为上述方案的进一步改进，该刷新芯片采用型号为BSV2CQRH芯片。

作为上述方案的进一步改进，该PROM芯片采用型号为PROM XQ17V16CC44M芯片。

作为上述方案的进一步改进，BSV2CQRH芯片的1脚接PROM XQ17V16CC44M芯片的20脚，为PROM芯片提供输出使能信号；BSV2CQRH芯片的3脚接PROM XQ17V16CC44M芯片的21脚，为PROM芯片提供片选信号；BSV2CQRH芯片的46脚接PROM XQ17V16CC44M芯片的5脚，为PROM芯片提供时钟信号；BSV2CQRH芯片的45脚接PROM XQ17V16CC44M芯片的2脚，为配置数据和刷新数据的来源。

作为上述方案的进一步改进，该FPGA芯片采用型号为BQR2V3000RH芯片。

作为上述方案的进一步改进，BSV2CQRH芯片的23脚接FPGA芯片的C4脚；BSV2CQRH芯片的21脚接FPGA芯片的AC22脚；BSV2CQRH芯片的24脚接FPGA芯片的AG25脚，监测FPGA芯片的Init信号；BSV2CQRH芯片的27脚接FPGA芯片的AF24脚；BSV2CQRH芯片的28脚接FPGA芯片的AA22脚。

作为上述方案的进一步改进，BSV2CQRH芯片的4脚接上拉电阻拉高，逻辑高时BSV2CQRH芯片处于工作状态，会根据Done信号来决定是进行FPGA芯片是配置还是刷新；BSV2CQRH芯片的22脚接上拉电阻拉高，BSV2CQRH芯片对整个FPGA芯片执行刷新操作。

作为上述方案的进一步改进，BSV2CQRH芯片的第9脚接外部晶振，BSV2CQRH芯片的所有信号通过第9脚的I_clk信号进行同步，要求50％的占空比，并使用时持续提供I_clk工作时钟。

本发明还提供一种能实时刷新的星载SRAM型FPGA系统，其包括FPGA芯片、用于对SRAM型FPGA芯片进行定时刷新实时的刷新装置；该刷新装置为上述任意针对星载SRAM型FPGA的实时刷新装置。

本发明还提供一种针对星载SRAM型FPGA的实时刷新方法，其应用于上述任意针对星载SRAM型FPGA的实时刷新装置；该实时刷新方法包括以下步骤：

1)系统上电后，该刷新芯片将PROM芯片中的数据读取出来，写入FPGA芯片中，此时FPGA芯片能处于主串或者从串配置模式；

2)FPGA芯片配置完成后，该刷新芯片回读FPGA芯片的型号，根据FPGA芯片反馈的IDcode信号确定刷新数据的具体长度；

3)该刷新芯片在确定被刷FPGA芯片的型号后，从PROM芯片中读取配置数据，并对配置数据进行处理；

4)若FPGA芯片发生单粒子功能中断，该刷新芯片通过检测Done信号端判断是否需要对FPGA芯片进行重新配置，在确定Done信号端为低电平后，将通过Program端的Program信号对FPGA芯片进行重新配置。

本发明能够适应宇宙空间的单粒子翻转效应、总剂量效应等，大幅度降低了SRAM型FPGA刷新系统设计的难度和复杂度。

附图说明

图1是基于BSV2CQRH组成刷新系统框图；

图2a与图2b是BSV2CQRH和PROM相连的电路原理图，其中，为了清晰显示附图而将附图分割成图2a与图2b进行显示；

图3a、图3b与图3c是BSV2CQRH和FPGA相连的电路原理图，其中，为了清晰显示附图而将附图分割成图3a、图3b与图3c进行显示；

图4a与图4b是BSV2CQRH相关的控制电路原理图，其中，为了清晰显示附图而将附图分割成图4a与图4b进行显示。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的针对星载SRAM型FPGA的实时刷新装置，其用于对SRAM型FPGA芯片进行定时刷新。实时刷新装置与SRAM型FPGA芯片构成能实时刷新的星载SRAM型FPGA系统的主体构架。该实时刷新装置包括一片PROM芯片、一片刷新芯片、两片晶振。

该PROM芯片存储该FPGA芯片的配置码流，该两片晶振分别为该FPGA芯片、该刷新芯片提供基准时钟。该刷新芯片通过检测该FPGA芯片的Done信号来决定进入配置模式还是刷新模式，Done信号为低电平信号时，该刷新芯片自动进入配置模式，等待该FPGA芯片的配置完成。当Done信号变高电平信号后，该刷新芯片自动进入刷新模式，检测被刷芯片型号即该FPGA芯片型号，对该FPGA芯片进行盲刷操作。其中，该刷新芯片在配置过程中，会自动检测该FPGA芯片的配置完成标志Done信号，如超过预计的配置完成时间后还未检测到Done信号变高电平信号，则意味着配置失败，会自动在该FPGA芯片的Program端施加复位脉冲，进行重新配置。

本实施例的星载SRAM型FPGA的自主刷新技术主要由“BSV2CQRH(刷新芯片)+FPGA+PROM+晶振”等组成。整个能实时刷新的星载SRAM型FPGA系统，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)。

本发明主要针对星载SRAM型FPGA芯片进行实时刷新装置的实现，实时刷新芯片BSV2CQRH是系统的核心环节，实时刷新装置主要由抗空间辐照的BSV2CQRH刷新芯片、SRAM型FPGA BQR2V3000RH、一次烧写PROM存储器XQ17V16CC44M、晶振ZA715等部分组成。BSV2CQRH具备串行模式配置FPGA和JTAG模式刷新FPGA的能力，BSV2CQRH放置于FPGA和配置PROM之间，起到数据交换的桥梁作用。若FPGA发生单粒子功能中断(SEFI)，BSV2CQRH通过检测Done信号端，判断是否需要对FPGA进行重新配置，在确定Done端为低电平后，将通过Program信号对FPGA进行重新配置，以纠正SRAM型FPGA因宇宙空间辐射造成单粒子翻转而造成的逻辑错误。

参见图1，整个SRAM型FPGA刷新系统，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属一次性烧写PROM，存储FPGA的配置码流，ZA715分别为FPGA、BSV2CQRH提供基准时钟。BSV2CQRH通过检测Done信号来决定进入配置模式还是刷新模式，Done信号为低时，BSV2CQRH自动进入配置状态，等待FPGA配置完成。当Done信号变高后，BSV2CQRH自动检测被刷芯片型号，进行盲刷操作。BSV2CQRH在配置过程中，会自动检测FPGA的配置完成标志Done信号，如超过预计的配置完成时间后还未检测到Done变高，则意味着配置失败，会自动在Program端施加复位脉冲，进行重新配置。在刷新过程中，如检测到Done信号变低，则意味着FPGA发生单粒子功能中断，会立即在Program端施加复位脉冲，进行重新配置。

参见图2a与图2b，是BSV2CQRH与PROM的接口电路原理图，BSV2CQRH的1脚接PROM XQ17V16CC44M的20脚，为PROM提供输出使能信号；BSV2CQRH的3脚接PROM XQ17V16CC44M的21脚，为PROM提供片选信号；BSV2CQRH的46脚接PROM XQ17V16CC44M的5脚，为PROM提供时钟信号；BSV2CQRH的45脚接PROM XQ17V16CC44M的2脚，为配置数据和刷新数据的来源。

参见图3a、图3b与图3c，BSV2CQRH和FPGA(BQR2V3000RH)的接口电路原理图：BSV2CQRH的23脚接FPGA的C4脚，BSV2CQRH在配置过程中，会自动检测FPGA的配置完成标志Done信号，如超过预计的配置完成时间后还未检测到Done变高，则意味着配置失败，会自动在Program端施加复位脉冲，进行重新配置。在刷新过程中，如检测到Done信号变低，则意味着FPGA发生单粒子功能中断，会立即在Program端施加复位脉冲，进行重新配置；BSV2CQRH的21脚接FPGA的AC22脚，BSV2CQRH是通过检测Done信号来决定进入配置模式还是刷新模式。Done信号为低时，BSV2CQRH自动进入配置状态，等待FPGA配置完成。当Done信号变高后，BSV2CQRH自动检测被刷芯片型号，进行盲刷操作；BSV2CQRH的24脚接FPGA的AG25脚，监测FPGA的Init信号。配置状态下，该信号为高电平时，BSV2CQRH使能PROM的数据输出。该信号为低电平时，BSV2CQRH停止使能PROM的输出；BSV2CQRH的27脚接FPGA的AF24脚，在配置状态下，通过该端口将码流发送给FPGA，配置完成后，输出高阻；BSV2CQRH的28脚接FPGA的AA22脚，在配置状态下，FPGA通过该端口将配置时钟发送给BSV2CQRH。

参见图4a与图4b，BSV2CQRH的控制电路原理图：BSV2CQRH的4脚接上拉电阻拉高，逻辑高时芯片处于工作状态，会根据Done信号来决定是进行FPGA配置还是刷新；BSV2CQRH的22脚接上拉电阻拉高，BSV2CQRH对整个FPGA执行刷新操作。BSV2CQRH的第9脚接外部晶振，BSV2CQRH的所有信号通过第9脚I_clk信号进行同步，要求50％的占空比，使用时持续提供I_clk工作时钟，这样才能确保刷新周期的完整性。

上述针对星载SRAM型FPGA的实时刷新装置的具体过程为即针对星载SRAM型FPGA的实时刷新方法为：

1)系统上电后，BSV2CQRH将PROM中的数据读取出来，通过FPGA的第AF24脚D0端写入FPGA中，此时FPGA可处于主串或者从串配置模式。经过刷新芯片完成配置，和直接用PROM完成配置的时间消耗完全相同。

2)FPGA配置完成后，BSV2CQRH通过JTAG端口回读FPGA的型号，根据FPGA反馈的IDcode确定刷新数据的具体长度。

3)BSV2CQRH在确定被刷FPGA型号后，从PROM中读取配置数据，并对配置数据进行处理。在用户不使用SRL16和LUTRAM的前提下，可以保证用户设计的工作不受影响。

4)若FPGA发生单粒子功能中断(SEFI)，BSV2CQRH通过检测Done端判断是否需要对FPGA进行重新配置，在确定Done端为低电平后，将通过Program信号对FPGA进行重新配置。

本发明主要针对SRAM型FPGA定时刷新的实现，定时刷新芯片是系统的核心环节，BSV2CQRH是通过检测Done信号来决定进入配置模式还是刷新模式。Done信号为低时，BSV2CQRH自动进入配置状态，等待FPGA配置完成。当Done信号变高后，BSV2CQRH自动检测被刷芯片型号，进行盲刷操作。BSV2CQRH在配置过程中，会自动检测FPGA的配置完成标志Done信号，如超过预计的配置完成时间后还未检测到Done变高，则意味着配置失败，会自动在第23脚Program端施加复位脉冲，进行重新配置。在刷新过程中，如检测到DONE信号变低，则意味着FPGA发生单粒子功能中断，会立即在Program端施加复位脉冲，进行重新配置。

本发明使用的BSV2CQRH刷新芯片，是中国航天科技集团公司第九研究院第772所研发抗辐照单粒子加固的FPGA刷新芯片BSV2CQRH。BSV2CQRH是一款专门针对SRAM型FPGA的配置存储器进行刷新的芯片，BSV2CQRH采用了高可靠的抗单粒子翻转加固设计技术，其抗总剂量能力大于100Krad(Si)，抗单粒子翻转(SEU)LET阈值大于37MeV/cm²/mg，抗单粒子锁定(SEL)阀值大于75MeV/cm²/mg。BSV2CQRH刷新芯片支持Xilinx公司Virtex2系列XQ2VR1000、XQ2VR3000、XQ2VR6000耐辐照FPGA，以及与上述产品完全功能兼容的航天772所的BQ2VR1000、BQ2VR3000、BQ2VR6000型宇航级FPGA系列产品。

BSV2CQRH的刷新特性如下：

●自动识别和匹配目标FPGA芯片；

●支持配置模式：主串、从串；

●利用JTAG接口进行刷新，接口简单且不占用IOB资源；

●采用盲刷方式，覆盖除BRAM内容以外的所有配置码流；

●刷新控制简洁，仅需用户提供刷新时钟信号和刷新使能信号；

●支持Xilinx公司XC17、XC18、XCF和XQ系列存储器。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。