宇宙高可靠FPGA设计技巧

本书对宇航用FPGA及其可靠性的相关技术进行了介绍，包括FPGA芯片制造技术，可靠性通用设计方法，空间辐射对FPGA的影响及抗单粒子翻转设计方法，FPGA检错、容错、纠错技术，FPGA局部和远程重配置的在轨维护与功能升级方法、FPGA测试流程与测试方法等。
本书主要面向从事宇航及相关领域研究的科研工作者和高校师生，可在FPGA的理论研究、设计开发、可靠性研究以及宇航应用等方面为读者提供借鉴与参考。

赵万良，研究员，硕士生导师，现任惯性敏感器产品首席专家，上海惯性工程技术研究中心主任，中国惯性技术学会理事，上海市惯性技术学会秘书长,上海市青年科技英才、上海市优秀技术带头人，航天科技八院硕士研究生导师，上海交通大学电子信息与电气工程学院硕士研究生企业导师，担任《中国惯性技术学报》、《导航与控制》杂志编委。

第1章绪论1

1.1FPGA的发展历程2

1.1.1Microsemi公司4

1.1.2Xilinx公司5

1.1.3宇航用FPGA现状6

1.2宇航用FPGA发展趋势8

1.2.1高容量、高密度、高速度、低功耗8

1.2.2高软件复用率8

1.2.3高系统集成度8

1.2.4高可靠性8

参考文献10
第2章反熔丝FPGA芯片技术11

2.1FPGA基础技术介绍11

2.1.1FPGA编程技术11

2.1.2FPGA逻辑单元14

2.1.3FPGA布线架构16

2.2反熔丝FPGA的结构19

2.2.1整体架构19

2.2.2布线通道及互连线资源19

2.2.3可编程逻辑单元21

2.2.4I/O模块21

2.2.5时钟网络23

2.3反熔丝FPGA编程技术25

2.3.1反熔丝器件25

2.3.2反熔丝编程电压26

2.3.3反熔丝FPGA编程技术28

2.3.4比特位流文件介绍28

2.4FPGA器件抗辐照情况30

2.4.1空间辐射环境概述30

2.4.2电离辐射效应31

2.4.3反熔丝FPGA的抗辐照指标实例32

2.5典型设计实例32

参考文献36
第3章FPGA可靠性设计通用技术38

3.1复位设计38

3.1.1复位38

3.1.2高电平复位与低电平复位41

3.1.3复位时长设计依据43

3.1.4远程遥控复位44

3.2信号消抖设计45

3.2.1抖动的产生45

3.2.2信号抖动的危害45

3.2.3抖动的消除办法46

3.3可靠性编码与状态机设计47

3.3.1状态机描述方式47

3.3.2状态机编码方式54

3.3.3格雷码54

3.3.4独热码55

3.4亚稳态与竞争冒险56

3.4.1亚稳态案例及亚稳态发生的原因57

3.4.2减少亚稳态发生的措施58

3.4.3竞争冒险产生原理59

3.4.4竞争冒险判定方法及解决办法62

3.5资源优化63

3.5.1串并转换63

3.5.2乒乓操作64

3.5.3流水线操作65

3.6时序分析与时序约束基本理论65

3.6.1时序分析基本理论66

3.6.2建立时间、保持时间、传输延时、组合逻辑延时67

3.6.3数据信号可靠传输的条件68

3.6.4时序约束及改善时序的办法69

参考文献75
第4章抗单粒子翻转技术76

4.1空间辐照对FPGA的影响76

4.2常用抗单粒子翻转技术77

4.2.1三模冗余77

4.2.2重配置容错84

4.2.3编码容错88

参考文献94
第5章FPGA容错技术96

5.1FPGA故障检测与定位97

5.1.1FPGA器件级故障检测原理97

5.1.2FPGA应用过程故障检测101

5.1.3反熔丝FPGA验证方案102

5.2FPGA容错与纠错103

5.2.1EDAC原理及实现103

5.2.2EDAC编码模块106

5.2.3EDAC译码模块106

5.2.4通信纠错容错107

5.3冗余备份与仲裁108

5.3.1串并联冗余108

5.3.2双机热备份系统111

5.3.3三机备份系统113

参考文献115
第6章宇航用FPGA重配置技术116

6.1FPGA重配置类型及原理116

6.1.1FPGA重配置类型116

6.1.2FPGA重配置原理116

6.1.3局部或远程重配置应用特点119

6.2FPGA局部重配置120

6.2.1局部重配置设计方法120

6.2.2基于模块化局部重配置实现121

6.2.3基于EAPR方式局部重配置实现131

6.3FPGA远程重配置138

6.3.1远程重配置实现方式138

6.3.2基于被动模式的远程重配置实现139

6.3.3基于边界扫描的远程重配置实现140

参考文献144
第7章高可靠性FPGA的测试145

7.1FPGA测试特性145

7.2FPGA测试流程与方法146

7.2.1测试需求分析147

7.2.2编码规则检查148

7.2.3人工审查151

7.2.4仿真验证151

7.2.5时序验证160

7.2.6逻辑等价性验证165

7.2.7板级确认测试170

7.2.8其他类测试171

7.3本章小结173

参考文献174

本书总结了大量宇航用FPGA产品工程研制经验，提炼出了宇航用FPGA可靠性设计验证方法。适用于宇航FPGA产品的研究教学、工程设计、试验制造等，对从事宇航FPGA工程人员提供很好的借鉴价值。