[发明专利]一种基于FPGA的软核容错星载计算机

摘要

一种基于FPGA的软核容错星载计算机，它由双冗余的基于FPGA的软核控制模块和仲裁管理模块组成；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；该仲裁管理单元由硬件看门狗及逻辑控制电路构成；两个软核控制模块通过外部CAN总线接口与外部设备进行数据通讯。双冗余软核控制模块采用冷备份的工作方式，由当班的软核控制模块上电工作，通过CAN总线接口收发数据并进行数据处理。在当班机发生故障时，由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，实现安全的故障容错策略。本发明用于空间环境下的微小型航天器的星上数据处理及控制，具有高性能、低成本、故障分级屏蔽、容错策略简单，系统可靠性高的特点。

主权项

一种基于FPGA的软核容错星载计算机，其特征在于：它由双冗余的基于FPGA的软核控制模块和仲裁管理模块组成；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A、B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；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低速总线和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、串口通讯单元和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即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即CRC设计；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。