利用FPGA实现模式可变卫星数据存储器纠错系统

摘要：比较讨论了航天器数据存储器中汉明码和TMR两种典型纠错系统的原理、实现以数据可靠性的估计，在此基础上提出了一种集成这两种系统模式并可在实际应用中根据需要切换模式的纠错系统设计方案，探讨了该系统的特点和优势，介绍了利用FPGA实现该系统的过程和经验。
关键词：单粒子翻转 汉明码　数据存储器　纠错编码　微小卫星

空间飞行器在太空环境中面临的主要问题之一就是辐射。太空中的各种高能粒子(包括高能质子、中子、α粒子、重离子等)具有很高的动能，通过时可能会影响半导体电路的逻辑状态，甚至对半导体材料造成损害。单个高能粒子对电子器件功能产生的影响称之为单粒子效应。其中，导致存储内容在'0'、'1'之间发生变化的单粒子翻转(SEU)问题特别受到关注。
微小卫星的研发思路是周期短、成本低、技术新，因此大量采用市场上容易取得的商业级电子器件。这些器件具有高密度、低功耗、低成本、扩展性强等特点，但通常没有经过严格的抗辐射测试，也没有采用完善的抗辐射工艺。解决微小卫星的抗辐射问题需要采取综合措施，包括整体防护、设计冗余等，而对具体数据存储器则通常采用编码、备份等方法利用信息冗余来应对SEU现象。与物理存储器件相配合，实现上述检错/纠错功能的电路就是微小卫星星载计算机系统的数据差错检测和纠正模块(Error Detection And Correction, EDAC)。

1 汉明码与TMR方案比较
在微小卫星的EDAC模块设计中，经常采用编码(主要是汉明码)或三倍冗余判决(Triple Modular Redundancy, TMR) 的方案。下面分别说明这两种方案并加以比较。
1.1 线性分组码
编码是在数据通信和数据存储领域广泛使用的检错/纠错方法。
线性分组码是使用很广泛的差错控制编码[1]，其信息位和监督位的关联由一组线性代数方程组表示。 (n,k)线性分组码的编码就是建立由m(m＝n-k)个生成冗余位的方程式构成的方程组，并由此线性方程组转化为k×n的生成矩阵G。编码时将信息位向量(k维)乘以生成矩阵G，即得到码字向量[Cn-1…C0]，见式(1)。
[Cn-1,Cn-2,Λ，Cn-k,Cm-1,Λ,C0]＝[Cn-1,Cn-2,Λ,Cn-k]×Gk×n (1)
将式(1)表示的方程组作移位变换，可以得到由式(2)表示的形式，Ｈ称为监督矩阵。解码时通过监督矩阵H与读出的码字向量C的乘积结果-校验子S来判断是否出错。当读出的码字向量C乘上H后得到一个零向量，表示没有出错；否则表示码字在存储之后发生了变化，即有错误发生。
S＝Hm×n×[Cn-1,Λ,C0]T (2)
当码字中某位(单一位)发生错误时，会得到的非零校验子S向量，该向量只与码字出错位置的图样有关，而与码字C无关。
汉明码是能纠正单个错误的线性分组码。其对应的G矩阵即为汉明码生成矩阵。这种编码下，分组编码总长是2m-1位，信息位长度是2m-m-1位，即(2m-1，2m-m-1)汉明码。(2m-1，2m-m-1)汉明码是编码效率的纠单错线性分组码。但考虑到一般计算机存储系统以字节为单位，而2m-m-1通常不是8的倍数，所以对汉明码加以扩展后，可以得到(12,8)、(22,16)等分组编码方案。这些方案具有一些新的特点，例如一种(22,16)方案可以做到纠单错、检双错，称作汉明SEC-DED码[2]。还可以通过优选，得到监督矩阵H，使得运算电路为简单、快速。
1.2 TMR
TMR的原理是将同一份信息保存在三份物理存储空间中。读取的时候比较三份内容，如果不完全相同，就取两个一致的值为真值。在CPU通过总线向内存写入数据 (ＷＲ有效) 时，每一比特数据通过三态门同时写到三个对应的比特存储单元中。当总线向内存请求数据 (RD有效) 时，三份同时存储的内容到达比较器，比较器逻辑按照前述规则输出数据内容及是否发生2/3判决的标记。根据总线要求，多路开关可以将数据内容或者每３比特比较器的2/3判决标记输出到总线上，后者可供分析研究可靠性时使用。
1.3 两种方案的比较
从存储空间的大小角度考虑，编码方案比冗余判决方案要节省大量的存储空间。如果采用(22,16)汉明码，每1MB有效内存需要实际物理内存1.375MB。而采用TMR方案则需要3MB实际物理内存。
从系统的纠错可靠性角度考虑，首先假定内存的单粒子翻转事件(SEU)所发生的物理地址[3]和时间都是均匀分布的。设每一比特内存单元在单位时间内发生单粒子翻转的概率为σ。则每m比特内存结构中v比特发生SEU的概率为
σ(v,m)＝Cvmσv(1-σ)m-v
采用(22,16)汉明码方案后，可以纠正每22比特内存行单元中的单比特错误。对于一行22比特编码记录，不发生SEU以及只有一比特发生ＳＥＵ的概率和，即为该行内存单元的可靠性。因此，每22比特的行汉明码内存单元可靠性为:
ρ行ham＝σ(0,22)＋σ(1,22)＝(1-σ)22+22σ(1－σ)21
每22比特行单元的有效容量是16位，即2个字节。故对于有效大小为N字节的汉明码内存系统，由N/2个行单元构成。其可靠性为:
ρham＝ρ行hamN/2＝[(1-σ)22+22σ(1-σ)21]N/2
而对于采用TMR的一行3比特的内存结构，可靠性为:
ρ行TMR＝σ(0,3)+σ(1,3)＝(1-σ)3+3σ(1-σ)2
对于一个有效大小为N字节的TMR内存系统，由8N个3比特结构组成，可靠性为
ρTMR＝ρ行TMR8N＝[(1-σ)3+3σ(1-σ)2]8N
在实际航天应用中[3]，通常10-9＞σ＞1010bit-1·s-1。取N＝4×106(即4兆字节)，表1给出了σ取不同值时差错率(1-ρ)的近似计算结果。其中差错率之比τ＝(1-ρham)/(1-ρTMR)。

计算结果表明，在前述参数范围内，汉明码纠错的差错率约是TMR的5倍。而且，两种系统的差错率都与σ的平方近似成正比。可见即使采取内存纠错，设法降低σ仍是提高系统可靠性的主要措施。
系统的时序性能是考虑的另一个关键因素。尤其是在高达几十兆赫的内存总线上，编解码运算较为繁琐的汉明码方案有着相当的局限性。而TMR方案只需进行简单的2/3判决，通常更能胜任苛刻的内存访问时间要求[4]。

(1)TMR读写取判决模块。TMR工作模式下，完成读取和写入操作中的冗余判决和数据分配逻辑。这个模块的具体设计已经在1.2节中详细介绍了。
(2)汉明码编码模块。汉明码工作模式下，在向内存写入数据时完成编码运算。
(3)汉明码纠错模块。汉明码工作模式下，在从内存读出数据时完成检错和纠错运算。(2)、(3)这两个模块的算法原理采用了1.1节中介绍的方案。
(4)地址逻辑模块和模式控制模块。配合各种工作模式，控制相应的模块工作信号和相应的内存片选信号，完成附加地址译码，正确访问RAM内容，实现对物理内存的分配管理。
为此，采用FPGA设计了EDAC专用芯片，实现了这些模块，并与内存模块相连接，组成了完整的纠错模式可变的数据存储系统。在这个系统中，完成写入操作时，总线数据通过EDAC-FPGA以合适的形式存入RAM芯片组；完成读出操作时，EDAC-FPGA将RAM芯片组的内容读出并处理(解码或判决)后放在系统总线上。
2.3 可变方案配置的特点
根据不同任务的具体特点，卫星数据处理系统对于内存的数量和质量的要求也有所不同。例如在处理上传指令和星上仪器状态时，要求数据有很高的可靠性，而对于内存容量则没有特别的要求；而在处理某些用途的遥测图像数据时，需要较大的内存容量，而对可靠性的要求则相应较低。传统的内存配置在硬件完成后很难更改。如果完全基于软件纠错也能实现相当程度的灵活性，但软件纠错带给CPU的大量运算负荷使得这种灵活性有些得不偿失。
可变纠错方案与无纠错机制的内存系统相比，仅仅在硬件上增加了一块FPGA，对于软件则是完全透明的。而且，在星载数据处理系统中往往还有其他需要使用FPGA的场合，这块FPGA的内容完全可以通过综合设计，整合到其他诸如总线逻辑之类的FPGA之中。
此外，由于在多种配置模式下一部分物理内存的内容意义是一致的，因此如果辅之以软件的配合，将关键代码、数据段置于该段内存之中，就可以实现在不重新启动计算机系统的前提下更改内存纠错方案配置，完成模式切换，保证某些关键任务不中断。
总之，基于FPGA实现的硬件可变配置方案以的硬件、软件代价，提供了的内存配置灵活性，充分满足了各种需求，而且节约了RAM的硬件资源和功耗。

参考文献
1 熊剑平，贾惠波，尤政．微小卫星数据存储器单粒子作用的检测及纠错．中国空间科学技术，2000;6
2 归绍生．纠错编码技术和应用．上海：上海交通大学出版社，1988
3 隋厚堂．几种256KbitSRAM芯片的单粒子翻转规律．中国空间科学技术，1999;1
4 Chuck Green, Peter Gulzow, Lyle Johnson, Karl Meinzer, James Miller． The Experimental IHU-2 Aboard P3D． Proc． 16th AMSAT Space Symposium, 1998．

5. TMR datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMR_1176775.html.