PDF《朱文斌,刘春平,黄振》

文章编号:1001 - 893X( 2011)

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04 基于 FPGA 的高可靠性 SDRAM 控制器设计与实现 朱文斌1,刘春平1,黄振

2 ( 1.

深圳大学,广东深圳518060 ;

2.清华大学航天航空学院,北京100084) 摘要 : 为了实现空间电磁环境中数据缓存,提出了一种采用FPGA 设计具有高可靠性的SDRAM 控制器方案.该 控制器采用自顶向下的模块化设计,包括顶层控制和底层驱动两层状态机,并且通过上电自校验和关键控制模块三模冗余提高其可靠性.在 此基础上,完成了控制器的FPGA 硬件实现和测试.测 试结果表明,该设计方案具有很高可靠性和可移植性,对应用于空间电磁环境中的数据缓存系统的工程实现具有指导意义.关键词:空间电磁环境;

数据缓存;

SDRAM 控制器;

可靠性;

三模冗余;

自校验中图分类号:TN409 文献标识码:Adoi: 10.3969 / j. issn.1001 - 893x.2011.10.023 Design and Implementation of a High Reliability SDRAM Controller Based on FPGA ZHU Wen - bin1 ,LIU Chun - ping1 ,HUANG Zhen2 ( 1. Shenzhen University,Shenzhen 518060, China;

2. School of Aerospace, Tsinghua University,Beijing 100084, China) Abstract: A design method of high reliability SDRAM controller based on FPGA is proposed for data cache uti lized in space electromagnetic environment. This controller is modularized from top to bottom,including two lay ers state machine of top control and bottom driver. Its reliability is improved by the functions of power - on self - checking and critical control module triple modular redundancy( TMR). Finally,the FPGA hardware implemen tation and testing of the controller are completed,and the test results show that this design is highly reliable and flexible,which can be provided as guidance for realization of a practical data cache system in space electromag netic environment. Key words:space electromagnetic environment;

data cache;

SDRAM controller;

reliability;

triple modular re dundancy;

selfchecking

1 引言 在空间电磁环境中,由于受到高能辐射粒子的影响,电子器件会出现单离子翻转(Single Event Up set, SEU) 等现象,从而导致FPGA 内部寄存器内容改变,引起传输数据的错误,控制信号的错乱,甚至是整个工作系统的失效[1] , 因此,需要设计高可靠性的数据缓存控制器.常 用的数据存储芯片包括SDRAM 和DDRSDRAM 两种,均具有单位面积存储容量大和存取速度快的特点.但 与DDRSDRAM 相比,SDRAM 外围电路更简单,其控制器实现的复杂度低,有利于可靠性的提高.从 控制器的实现方案来看,采用FPGA 实现具有较强的灵活性,并能支持更高的数据吞吐量[2] .因此,本文将主要解决如何利用FPGA 实现具有高可靠性的SDRAM 控制器,首先是采用自顶向下的模块化设计思路,根据SDRAM 的工作原理,将控制器划分成不同的功能模块,使各个模块功能上主次分明;

其次是增加上电自校验功・311・第51 卷第10 期2011 年10 月电讯技术Telecommunication Engineering Vol.51 No.10 Oct.

2011 收稿日期:2011 -

06 - 14;

修回日期:2011 -

08 -

17 能,对关键控制模块进行三模冗余设计,进一步增强控制器的可靠性.2控制器总体设计在控制器总体设计方面,考虑到其可靠性,尽量简化顶层控制模块和底层控制模块之间的接口,顶层控制模块只需管理读写操作;

为了提高控制器的可移植性,元件实例化时需要通过GENERIC 进行参数的映射[3] , 使用时只需在顶层模块中设置相关参数,可移植性强.2.1 SDRAM 工作原理控制器通过ras、 cas、 we