[发明专利]一种基于FPGA的软核容错星载计算机

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于FPGA的软核容错星载计算机，它是一种基于FPGA的32位软核容错星载计算机，适用于空间容错计算技术领域。

背景技术

随着航天技术的快速发展，微小型航天器已广泛应用到应急通讯、对地遥感、新概念新技术演示验证、空间科学探测等航天任务中。微小卫星长期在轨工作对星上电子系统的核心部件一星载计算机的数据处理能力、实时性和可靠性提出了较高的要求。

LEON3软核是由Gaisler Research公司开发的一款符合IEEE 1754(SPARCV8)架构的应用于空间环境下的高性能32位RISC处理器IP核。它的前身是欧洲宇航局开发的LEON以及ERC32。LEON3的源代码，由可综合的VHDL开放源代码组成，所有代码均基于GNU GPL许可发行，具有优良的可配置性和可移植性，既可以通过二次软件开发的方式提高LEON3处理器的容错能力，也可以方便的在FPGA片上综合，代替传统的微处理器成为高性能星载计算机的核心组成部分，设计并实现高可靠的星载容错计算机系统。

国内外的研究表明，通过对FPGA的容错设计，可以有效地减少空间单粒子翻转(SEU)引起的星载计算机功能错误，从而提高整个星载计算机系统的可靠性。开展高性能容错星载计算机研究对提高微小卫星的数据处理能力和可靠性具有重要意义。

发明内容

为解决空间辐射环境下单粒子翻转对星载计算机系统的影响。本发明提供一种基于FPGA的软核容错星载计算机。它采用多种故障容错的方法提高星载计算机系统的可靠性，满足空间环境下星载计算机高性能、低成本、低功耗和高可靠性的要求。

见图1，本发明一种基于FPGA的软核容错星载计算机，由双冗余的基于FPGA的软核控制模块和仲裁管理模块组成。各模块之间的相互关系是：两个软核控制模块A、B功能完全相同，硬件设计独立。软核控制模块定期将心跳信号发送给仲裁管理模块，仲裁管理模块按照安全的故障诊断策略判断软核控制模块的工作状态，发出控制信号，对两个软核控制模块进行故障处理或切换操作。其中，该软核控制模块是以32位LEON3容错软核为控制核心，外扩接口电路构成；该仲裁管理模块由硬件看门狗及逻辑控制电路构成。为降低整机功耗，双冗余软核控制模块采用双机冷备份的工作方式设计，即只有当班软核控制模块上电工作，非当班软核控制模块作为备份不上电。若当班软核控制模块出现故障，仲裁管理模块根据检测到的故障类型和故障严重程度进行故障处理或切换备份机，自主实现安全的故障容错策略。此外，仲裁管理模块还可以接受地面上传的直接指令，实现整个星载计算机系统的强制性双机切换。

该软核控制模块包括LEON3软核处理器、AMBA总线单元、存储器接口单元、串口调试单元、中断控制单元、定时器单元、串口通讯单元和通用输入输出接口单元。其之间的关系是：AMBA总线单元连接LEON3软核处理器与外设，包括AHB控制器、AHB高速总线、APB低速总线、AHB/APB转换接口。AHB高速总线连接串口调试单元和存储器接口单元，APB低速总线连接中断控制单元、定时器单元、串口通讯单元、通用输入输出接口单元。对LEON3软核处理器的流水线栈触发单元进行三模冗余(TMR)设计，对寄存器单元进行汉明码纠一检二容错设计，对缓存单元进行循环冗余校验(CRC)。以上设计在提高软核处理器性能的同时，提高星载计算机抗单粒子效应的能力。每个软核控制模块外扩有CAN接口电路，通过CAN总线控制器(SJA1000)和CAN收发器(TJA1050)与外部星载设备进行是数据通讯。

该仲裁管理模块由硬件看门狗及控制逻辑电路构成，软核控制模块A、B通过数字输出接口分别输出各自单机的状态实现对仲裁管理模块看门狗的喂狗操作，控制逻辑电路根据软核控制模块A、B对应的片外看门狗溢出状况判断并选定当班的软核控制模块，通过控制磁保持继电器给软核控制模块上电(或断电)，实现双机切换。该硬件看门狗是MAX706S；该控制逻辑电路核心芯片是SN54121。

为防止星载计算机电源短路导致整星电源故障，在星载计算机3个模块的电源入口处都采用MAX890芯片进行限流保护。一旦电流超过阈值，MAX890芯片将自动关闭电源。该保护措施较好地实现星载计算机的电源故障检测和故障隔离。