基于FPGA的RS码检错纠错技术研究

来源 :天津工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:benn_zhao123
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FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)以其强大的可重复编程能力已经被广泛地应用在航天、军工以及工业控制等领域,成为星载信号处理和控制的关键部件,但是如同一般的大规模集成电路一样,FPGA器件也很容易受到太空单粒子等辐射效应的影响而发生各类故障。因此,对FPGA器件的抗辐射加固和容错设计已成为航天、军工以及工业控制等领域可靠性设计的关键技术。而随着工艺尺的降低,一块芯片上晶体管的数目也越来越多,多位错误翻转(MBU,Multiple Bit Upset)在航天电子器件上发生的概率也越来越大,SRAM型FPGA对辐射中的MBU尤为敏感,因此有必要采用一定的方法来降低MBU的影响,提高FPGA的可靠性。  错误检错纠错码(Error Dection and Correction Code)是一种非常有效的系统级加固方法。其中,以汉明码最为经典,可以用较小的冗余和功耗纠正一位错误,检测两位错误,但是针对FPGA的多位单粒子翻转,其纠错能力有限,不能提供足够的可靠性。因此,本文通过对在数字通信系统和存储系统中广泛应用的RS码进行必要修正,使之能够对FPGA在太空中高辐射环境下的多位错误翻转(MBU,Multiple Bit Upset)效应进行容错加固。  本文针对FPGA的多位单粒子翻转,设计并实现了高速率、低延时的RS码编译码器,采用流水线结构提高数据的吞吐量。针对RS码编码器中大量使用的乘法器,采用了基于自然基下的常系数乘法器,以及最优弱对偶基比特并行乘法器,使译码器系统达到了较高的数据吞吐率,并降低了译码复杂度。RS译码器的关键方程采用改进的BM迭代算法,由于避免了复杂的求逆运算,大大提高了译码的工作频率。  最后,采用Verilog HDL语言实现了RS编译码器的RTL级建模;在Xilinx公司ISE13.4平台上实现了功能仿真;在Xilinx XUPV-5LX110T上实现硬件验证,最大工作频率达到176.68MHz,流水延迟为22个时钟周期。实验结果表明,该系统能够有效解决SRAM型FPGA的多位错误翻转问题,可以用于航天等领域需要抗单粒子翻转效应的复杂工作环境。
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