Microblaze是32位/64位 RISC軟核處理器，可以用作微處理器、實(shí)時(shí)處理器和應(yīng)用處理器（Linux+MMU）。Microblaze作為FPGA的軟核，搭建硬件系統(tǒng)時(shí)有豐富的IP資源，軟件開發(fā)則有配套的SDK軟件。 目前Microblaze在工業(yè)、醫(yī)療、汽車、消費(fèi)以及通信市場(chǎng)有著廣泛的應(yīng)用。

Microblaze有這么多優(yōu)點(diǎn)，是否可以用在宇航市場(chǎng)上呢？空間環(huán)境中，F(xiàn)PGA會(huì)受到單粒子效應(yīng)影響，Microblaze是使用FPGA內(nèi)部的資源來實(shí)現(xiàn)的，可能會(huì)發(fā)生功能中斷或程序跑飛等情況，因此需要對(duì)Microblaze進(jìn)行軟件層面的加固來降低SEE的影響。

Microblaze最小系統(tǒng)的組成包括Clock Wizard，Processor System Reset，Microblaze IP，Data Local Memory Bus, Instruction Local Memory Bus，Data LMB BRAM Controller, Instruction LMB BRAM Controller和Block Memory。 今天貧道以Microblaze最小系統(tǒng)為例，簡(jiǎn)單介紹一下PG268 Xilinx方案（Fault torelant和Fail safe），然后著重介紹高可靠加固方案、方案在TMR工具的實(shí)現(xiàn)和故障注入驗(yàn)證結(jié)果，如圖1所示：

圖1 Microblaze最小系統(tǒng)

01

Xilinx 加固方案

Fault-tolerant Type是對(duì)原系統(tǒng)整體復(fù)制兩份，并在關(guān)鍵的Data LMB Controller和Instruction LMB Controller增加判決器，并對(duì)IO接口增加判決器。假如單路MB由于SEE發(fā)生軟錯(cuò)誤，那么通過判決器能夠把軟錯(cuò)誤屏蔽掉。Fault-tolerant Type優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只需要利用好TMR Manager的Run block Automation功能，就能一鍵實(shí)現(xiàn)加固。Fault-tolerant Type屬于粗粒度加固，因此缺點(diǎn)是可靠性提升有限。

圖2 Fault-tolerant默認(rèn)框圖

圖3 TMR Voter插入位置 值得一提的是Fault-tolerant Type默認(rèn)的方案是對(duì)BRAM做TMR，如果BRAM資源受限，那么可以更改設(shè)計(jì)對(duì)BRAM做ECC。

圖4 Fault-tolerant Type ECC實(shí)現(xiàn)

Fail-Safe Type加入了TMR Comparator，實(shí)時(shí)對(duì)三個(gè)sub block進(jìn)行比較。當(dāng)某一個(gè)sub block發(fā)生異常的時(shí)候，另外兩路正常的sub block進(jìn)入到lock step模式。Lock step模式下，一旦發(fā)現(xiàn)兩路sub block數(shù)據(jù)不一致，那么就會(huì)進(jìn)入到Fatal stop模式。

Fail-Safe Type的優(yōu)點(diǎn)是可以在lock step模式下，通過APP嘗試進(jìn)行恢復(fù)，恢復(fù)成功后重新返回到fault torelant模式。Fail-Safe Type的優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)，APP需要用戶自行開發(fā)，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。此外如果軟錯(cuò)誤比較嚴(yán)重，會(huì)進(jìn)入到Fatal stop模式，該模式?jīng)]法完成恢復(fù)，只能重新加載來解決軟錯(cuò)誤。

圖5 Fail-Safe Type框圖

圖6 Fail-Safe Type故障模式轉(zhuǎn)換流程

02

高可靠加固方案

高可靠加固方案是把Microblaze當(dāng)做一般的IP，在網(wǎng)表層面采用TMR工具進(jìn)行細(xì)粒度加固。同時(shí)考慮Microblaze的特點(diǎn)，對(duì)存儲(chǔ)器BRAM進(jìn)行TMR加固或者ECC加固?？紤]到TMR或者ECC只能屏蔽錯(cuò)誤，無法消除錯(cuò)誤。因此為了更進(jìn)一步提高可靠性，對(duì)儲(chǔ)存器采用ECC+回寫刷新，這樣可以消除錯(cuò)誤。本文只討論Local Memory應(yīng)用場(chǎng)景的加固方案和實(shí)現(xiàn)，下面將對(duì)實(shí)現(xiàn)部分做簡(jiǎn)要的介紹。

1.1存儲(chǔ)器BRAM ECC實(shí)現(xiàn)

Microblaze默認(rèn)的Local Memory結(jié)構(gòu)如下圖所示，需要做的是展開microblaze_0_local_memory。

圖7 MicroblazeLocal Memory

展開microblaze_0_local_memory，可以看到local_memory是由LMB Bus、LMB BRAM Controller和Block Memory組成。

圖8 LocalMemory結(jié)構(gòu)

需要做的是打開LBM BRAM Controller，勾選Error Correction Code。

圖9 LMB BRAM Controller設(shè)置

工具自動(dòng)實(shí)現(xiàn)更改Block Memory屬性，使用Soft方式來實(shí)現(xiàn)BRAM的ECCH32-7編解碼。

圖10 Block Memroy ECC參數(shù)設(shè)置

2.1存儲(chǔ)器BRAMECC+自刷新邏輯

默認(rèn)的Local Memroy結(jié)構(gòu)里面，BRAM的兩個(gè)端口都被占用住，要想實(shí)現(xiàn)自刷新就得更改Local Memroy結(jié)構(gòu)。Microblaze支持復(fù)用DLMB和ILMB的控制器，這樣兩個(gè)控制器就共用一個(gè)BRAM端口，另一個(gè)端口用于自刷新，如下圖所示：

圖11 共享memory結(jié)構(gòu)

開發(fā)的自刷新模塊連接到Freeport上，對(duì)BRAM全地址循環(huán)遍歷，讀出數(shù)據(jù)（32bit）和校驗(yàn)位（7bit）進(jìn)行1bit錯(cuò)誤糾錯(cuò)。如果解碼過程出現(xiàn)1bit錯(cuò)誤，把糾錯(cuò)后的數(shù)據(jù)回寫到BRAM中。

圖12 自刷新結(jié)構(gòu)

2.2MicroBlaze System TMR實(shí)現(xiàn)

TMR工具可以對(duì)任意資源設(shè)置屬性，Block Memroy采樣ECC方案，因此屬性設(shè)置為Converge。

圖13 TMR工具Custom模式下參數(shù)自定義設(shè)置 TMR工具可以統(tǒng)計(jì)出加固前的資源消耗，以及預(yù)估加固后的資源消耗，便于設(shè)計(jì)師進(jìn)行評(píng)估和迭代設(shè)計(jì)。

圖14TMR工具加固前資源統(tǒng)計(jì)和加固后資源預(yù)估

加固完成后，TMR工具可以統(tǒng)計(jì)出準(zhǔn)確的資源使用情況。

圖15TMR工具加固后資源統(tǒng)計(jì)

TMR工具自動(dòng)創(chuàng)建加固后工程并自動(dòng)添加約束文件。

圖16 TMR PSOT工程

執(zhí)行Implementation和Generate Bitstream。

圖17 POST工程完成IMPL和BITGEN

2.3故障注入驗(yàn)證

Microblaze System采用TMR進(jìn)行加固可靠性得到提升，TMR加固推薦采用DTMR/GTMR加固方式。Microblaze System中存儲(chǔ)器部分選擇的是ECC加固，需要針對(duì)Block Memroy進(jìn)行故障注入驗(yàn)證。

圖18 BRAM故障注入測(cè)試 故障注入驗(yàn)證結(jié)果如下：

1）存儲(chǔ)區(qū)不加固，隨機(jī)注入70~100bit錯(cuò)，系統(tǒng)異常

2）存儲(chǔ)區(qū)ECC糾錯(cuò)，隨機(jī)注入700~800bit錯(cuò)，系統(tǒng)異常

3）存儲(chǔ)區(qū)ECC糾錯(cuò)+回寫，隨機(jī)注入10000bit錯(cuò)，系統(tǒng)仍正常工作 Microblaze采樣高可靠方案進(jìn)行加固后可靠性得到提升，采用ECC糾錯(cuò)+自刷新措施可靠性最高。軟核除了在FPGA內(nèi)部進(jìn)行軟加固外，還應(yīng)該采用外部Scrubber來消除CRAM的累積錯(cuò)誤，這樣經(jīng)過多種加固措施后的軟核應(yīng)該能滿足大部分的空間應(yīng)用需求。

審核編輯：劉清