高可靠性电路结构设计与应用

摘要

制造工艺的提升使得集成电路性能越来越高的同时，也使其对于各种干扰越来越敏感，由此引发的瞬态故障会极大地降低了电路的可靠性，而对于航空航天等特殊领域，可靠性是极其重要的指标之一。
　　作为专用集成电路领域中的一种半定制电路，FPGA由于其高密度、高性能及可重构特性，近年来应用越来越广，由于FPGA内部电路组成结构的特殊性，其可靠性设计方法与普通ASIC有很大的不同。本文主要围绕着FPGA可靠性设计方法，进行了以下三个方面的工作:
　　第一，设计并实现了一个基于FPGA的高可靠性通用图像处理系统，该系统以Virtex-6 LX240T FPGA为核心，图像数据可以通过USB2.0接口或者Camera Link接口输入或者输出，利用外扩的SRAM芯片可以满足图像存储的要求，同时还具有可重构I/O接口，由此构成了一个功能完备的图像处理实验平台。
　　第二，在深入研究FPGA可靠性设计方法的基础上，设计并实现了一个高可靠性的单周期ASIP处理器，根据ASIP各个模块的特点，给出了相应的可靠性设计方案，进行了测试验证，并对其资源和速度进行了统计和比较，总结出了详细的技术指标。
　　第三，针对SIMD阵列结构的特点，提出一种提高可靠性的结构方案，该方案将内建自测试、汉明码、硬件冗余三种技术相结合，通过每一组处理单元配备一个冗余模块，利用内建自测试对处理单元进行故障检测，冗余单元对故障单元进行替换的方法，在冗余电路资源占用较少的前提下，大幅提高了系统可靠性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 FPGA可靠性设计要求

1．3 ASIP及其并行结构简介

1．4 本文研究工作及章节安排

第二章 FPGA高可靠性设计技术

2．1 FPGA可靠性设计方法

2．2 三模冗余

2．2．1 三模冗余概述

2．2．2 三模冗余表决器设计

2．2．3 三模冗余在FPGA中的具体实现

2．3 纠错编码

2．3．1 纠错码概述

2．3．2 汉明码(Hamming codes)

2．4 内建白测试

2．4．1 内建自测试概述

2．4．2 扫描链建立

2．4．3 电路测试

2．5 本章小结

第三章 基于FPGA的高可靠性通用图像处理系统设计

3．1 基于FPGA的通用图像处理系统总体结构

3．2 硬件电路设计

3．2．1 FPGA配置

3．2．2 USB2．0接口设计

3．2．3 扩展存储模块

3．2．4 Cameral Link接口设计

3．2．5 系统电源、复位及时钟等的设计

3．3 可靠性设计方案

3．3．1 器件选型

3．3．2 硬件电路模块冗余

3．3．3 布局布线

3．3．4 电源和地的设计

3．3．5 信号完整性

3．4 本章总结

第四章 基于RISC的ASIP处理器及其可靠性设计

4．1 ASIP电路结构及指令集

4．2 高可靠性ASIP设计方案

4．2．1 算术逻辑运算单元

4．2．2 程序控制单元

4．2．3 数据地址产生单元

4．2．4 存储单元

4．2．5 系统总体的可靠性结构

4．3 本章总结

第五章 ASIP并行处理系统可靠性设计方案

5．1 ASIP并行处理体系结构

5．2 SIMD并行处理结构

5．3 SIMD阵列结构可靠性设计方法

5．3．1 SIMD阵列可靠性结构

5．3．2 可靠性分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

研究成果