基于FPGA的二乘二取二安全系统的设计与实现

摘要

冗余技术是计算机系统可靠性设计中经常采用的一种技术，是提高计算机系统可靠性最有效的方法之一。随着电子技术和计算机技术的发展，当前信息化、数字化社会对系统可靠性、安全性要求的深度和广度日益增长，二乘二取二结构是一种可靠性很高的冗余结构。本文在深入研究二乘二取二结构的基础上，以低成本、低功耗为前提，提出了一种基于FPGA（现场可编程门阵列）的单芯片多软核高可靠性、高安全性二乘二取二安全系统的设计和实现方法。 本文研究分析了冗余技术和冗余结构的发展情况和现状，并对二乘二取二系统的结构和高可靠性FPGA的特点进行了介绍。本文以高可靠性、高安全性、低成本和低功耗为设计原则，以Actel Fusion FPGA器件和CoreABC软核为核心，细致描述了单芯片多软核结构、比较判决模块、二乘切换模块等模块的设计方法。同时，以模块化的方式，详细介绍了系统硬件平台的设计方法。对多CPU和单芯片多软核两种结构的二乘二取二系统进行了可靠性、安全性分析和比较，通过Matlab仿真得到其可靠度、安全度曲线。最后对系统测试的过程和分析结果进行了介绍。测试和实验结果表明，本文提出的系统设计方案具有很高的可行性，基于单芯片多软核SOC技术的安全系统具有高可靠性、高安全性、低功耗、低成本、设计灵活等特点，具有广阔的应用和发展空间。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1 引言

1.2 课题背景和研究状况

1.3 二乘二取二系统介绍

1.4 本文的主要内容

2 单芯片多软核二乘二取二系统设计

2.1 Fusion结构特点

2.1.1 先进的Flash开关技术

2.1.2 精细颗粒的VersaTile

2.1.3 集成模拟部分

2.1.4 多种存储器

2.1.5 先进的数字I/O

2.2 CoreABC微控制器软核

2.2.1 IP(Intellectual Property)核的基本概念

2.2.2 CoreABC微控制器软核的结构

2.2.3 CoreABC微控制器软核的配置

2.2.4 CoreABC微控制器软核的编程

2.3 多软核二乘二取二系统的实现

2.3.1 多软核结构的实现

2.3.2 二取二比较判决模块

2.3.3 时钟模块

2.3.4.看门狗模块

2.3.5 系统二乘切换模块

2.4 小结

3 系统硬件平台设计

3.1 电源模块

3.1.1 供电模块

3.1.2 电源控制模块

3.1.3 电压、电流、温度检测模块

3.1.4 FPGA地、电源模块

3.2 时钟和调试模块

3.2.1 时钟模块

3.2.2 JTAG模块

3.3 外围电路设计

3.3.1 LED模块

3.3.2 LCD模块

3.3.3 按键模块

3.3.4 UART模块

3.3.5 USB模块

3.3.6 Mini ISA模块

3.3.7 SRAM模块

3.4 电路板制作中的注意事项

3.5 小结

4 单芯片多软核冗余系统可靠性安全性分析

4.1 可靠性、安全性技术保障

4.1.1 硬件技术的保障

4.1.2 软件技术的保障

4.2 可靠性、安全性分析

4.2.1 分析方法

4.2.2 分析过程

4.3 小结

5 系统测试和结果分析

5.1 系统测试方法

5.2 系统测试结果和分析

6 工作总结与展望

参考文献

作者简历