[发明专利]允许在自然辐射环境中使用可编程元件的设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种允许在自然辐射环境中使用可编程元件的设备。本发明尤其被应用于FPGA(现场可编程门阵列)类型的元件。

背景技术

本辐射源与太阳银河系辐射有关。辐射流根据海拔高度和纬度，受例如构成障碍和过滤器的磁层、大气层和范艾伦辐射环的作用而改变。该辐射在空间中和高海拔高度上主要包含重离子和质子，并且在大气层中，中子占主导。

在海洋中，中子流大约比海拔10千米处的少300倍。然而，即便在地表上，有关该辐射的问题，被称为“SEE”(Single Event Effet单粒子效应的缩写)，出于组成元件日益融合的原因，在几个系统中已被验证。这一问题很可能在即将到来的几年中变成一个挑战。

与辐射有关的单粒子效应对应于由单粒子通过而触发的现象。在这些效应中，将已知的瞬变缺陷或软错误区别命名为，“SEU”(Single Event Upset单粒子翻转的缩写)，它在于在不改变电子元件的情况下，在高能量粒子作用下，该电子元件提供的信息被非期望地改变。

与重离子相比，中子不直接释放它们的能量。它们需要与硅发生作用以生成二级离子。所有离子在硅中释放电荷并在该电子元件中产生一个SEE。

要求机载计算机所具有的计算集成化和强大能力，强迫要求复杂元件如FPGA、CPLD(复杂可编程门器件的缩写)和ASIC(专用集成电路的缩写)的使用。

FPGA在电子学中应用非常广泛，因为它提供一个非常有利的资源/成本比例。FPGA技术根据以下三种类型被分类：

—反熔丝，

—闪存(flash)，和

—基于RAM(随机存取存储器的缩写)。

当前，为了缓解自然辐射环境中被称为SEU(单粒子翻转事件的缩写)的宇宙中子影响的问题，提到的前两项技术经常被使用，由于其容错性。

为了预防自然辐射在电子技术中的影响，其中一种解决方案是使用反熔丝或闪存技术的FPGA元件。这些元件，得益于它们的技术和光电元件光刻，它们对“位翻转”具有非常强的鲁棒性，并且，其结果是不需要任何保护。

然而它们的缺陷包括：

—如反熔丝的某些技术不允许元件重编程；然而，随情况进展，有必要开焊和更换元件；

—没有几个供应商因此差异管理存在困难；

—由于技术原因，其性能表现，尤其是频率方面，是有限的；

—由于技术原因，所推荐的矩阵是有限的；

—工具缺乏新意，因为它们拥有较少的用户因此拥有较少的校正器(调试器)。

基于RAM类型的FPGA，由于它的技术，非常高效，提供大量逻辑矩阵和(根据要求)现场重编程。为此，它显著用于工业中。然而，它具有对“位翻转”，换而言之二进制单元或位数值变化，非常敏感这一缺陷，这目前使得它在辐射环境中的使用变得困难。

文件US 7 036 059描述一个配备冗余逻辑函数和在这些逻辑函数之一中探测错误的装置的可编程元件。然而，逻辑函数冗余造成可编程元件的复杂性和高成本。

发明内容

本发明旨在消除这些缺陷。

为此，根据第一方面，本发明旨在一种允许在辐射环境中使用可编程元件的设备，包括：

—探测所述可编程元件中由于辐射造成的错误的装置，

—在探测错误时阻塞所述元件的至少一个输出的装置以及

—校正所述错误的装置。

得益于这种设备，可获得能够使用基于RAM类型的FPGA元件的容错(Fault Tolerant)架构。事实上，上面简要叙述的装置，允许探测可编程元件上的危害的影响，并且在有危害的情况下，允许在错误被校正期间，禁止将信息散发到该元件外部。

本发明可尤其应用在如航空、空间、核能、汽车、医药或铁道系统等关键电子系统中。

根据特定特征，本发明目的的设备，如上简述，包括对保存在所述元件中的数据进行双重存储的装置。因此，在使用一个存储器来保护数据的情况下，通过在存储器中双重保护数据，能够迅速恢复稳定的运行状态。

根据特定特征，错误探测装置比较至少两个数据存储。因此，该错误探测装置包含再次读取元件存储器内容并且与参考内容进行比较的装置。这个再次读取以及这一比较已知为“回读(Readback)”。

根据特定特征，阻塞装置适于阻塞所述元件实现的逻辑函数的数字输出。事实上，这些是在这些输出上发射的、在元件上位翻转的情况下可能会被干扰的信号。

根据特定特征，错误探测装置包含冗余数据验证装置。

根据特定特征，错误校正装置使用冗余数据。