摘要：本文目標是根據(jù)航天電子設(shè)計的需要,，提出一種高可靠性微處理器設(shè)計的設(shè)計方案,。在分析了單粒子效應(yīng)的和總結(jié)了高可靠性設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，對 oregano systems公司提供的 mc8051IP軟核進行了修改,。修改后的 IP核滿足設(shè)計要求,，運行穩(wěn)定，最終實驗結(jié)果說明：設(shè)計方案合理,，實現(xiàn)簡單,，具備實用價值。

　　引言

　　隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展,，高密度集成電路器件在航天器的研制中被大量使用,，然而隨著器件集成度的提高和工作電壓的降低，空間輻射環(huán)境對電子系統(tǒng)的影響越來越多,?？臻g輻射環(huán)境對電子系統(tǒng)的損害最主要的是單粒子效應(yīng)(Single Event Effect) ，它們會使器件失效或者工作狀態(tài)發(fā)生改變,，影響電子設(shè)備的可靠運行 5,。基于筆者所在單位承擔的大量航天工程任務(wù)中關(guān)鍵部位均使用了 8051微控制器,，本文根據(jù)航天電子設(shè)計的要求對一款8051IP軟核進行了修改，以適應(yīng)航天設(shè)備的需要,。

　　1 mc8051IP核介紹

　　IP（Intellectual  Property)原意指知識產(chǎn)權(quán),，在 IC設(shè)計領(lǐng)域則是指預(yù)先設(shè)計實現(xiàn)某種功能的模塊。IP核(IP模塊)則是指完成某種功能的虛擬電路模塊,，也稱之為虛擬部件,。

　　根據(jù) IP的提供方式通常把 IP核分為硬 IP(硬核 Hard Core),、軟 IP(軟核 Soft Core)和固 IP(固核 Firm Core )。

　　硬核是針對某個特定工藝的一套物理版圖,，電路布局布線和工藝是確定的,，已經(jīng)過樣品電路的驗證。硬核的優(yōu)點是它的高速度和安全性,，但由于依賴特定的工藝,，所以缺少靈活性。

　　軟核是用硬件描述語言(Verilog HDL或 VHDL)的形式描述功能塊的行為,，但是并不涉及用什么電路和電路元件實現(xiàn)這些行為,。軟核具有的特點是可以根據(jù)用戶需要靈活的進行修改定制。

　　固核是一種介于軟核和硬核之間的 IP核,，通常以 RTL代碼和對應(yīng)具體工程網(wǎng)表的混合形式提供,。固核是完成了綜合的功能塊，有較大的設(shè)計深度,，通常以網(wǎng)表的形式提交客戶,。

　　mc8051IPcore是 Oreganosystems公司提供的一個應(yīng)用廣泛的開源 8051IP軟核。

　　它由算術(shù)運算單元,，定時器 /計數(shù)器,，串口，內(nèi)部 ram,，外部 ram及 rom組成,。mc8051_alu為運算單元，由加法器,，乘法器,，除法器等基本運算單元組成。mc8051_control為 mc8051的控制通路,。包括有特殊寄存器,，譯碼單元，多路選擇器,，中斷及指令狀態(tài)機等基本功能,。2抗單粒子可靠性設(shè)計技術(shù)

　　可靠性設(shè)計的基本原理是冗余，包括信息冗余,，時間冗余等,。目前抗單粒子效應(yīng)的設(shè)計技術(shù)中應(yīng)用最廣的技術(shù)有三模冗余(Triple Modular Redundance ，TMR),檢錯糾錯（Error Detection And Correction ,EDAC） 1基于軟件的控制流檢測

　　2,。本文主要采用前2種可靠性設(shè)計方法,。

　　2.1 三模冗余（TMR）介紹

　　三模冗余是指將目標部件復(fù)制相成同的三個目標部件來實現(xiàn)一個目標部件的功能，三個目標部件最終將通過一個判決器來判斷目標部件的正確狀態(tài)。它利用的是相同一組部件同時出現(xiàn)錯誤概率較小的原理來實現(xiàn)可靠性的提高,。

　　TMR可用于各種IP設(shè)計的各階段,，既可以在系統(tǒng)級進行冗余，也可以是局部冗余,。

　2.2 糾錯檢錯（EDAC）

　　2.2.1 EDAC概述

　　EDAC可以用來檢測電子設(shè)備中由SEU引起的存儲為翻轉(zhuǎn)錯誤,。EDAC的基本結(jié)構(gòu)包括3個部分：編碼模塊，解碼模塊,，存儲模塊,。其中EDAC 編碼模塊將需要處理的數(shù)據(jù)進行相關(guān)算法的編碼，產(chǎn)生校驗碼,，與待處理數(shù)據(jù)一同存入存儲模塊,。數(shù)據(jù)需要讀出的時候，EDAC解碼模塊將數(shù)據(jù)與相應(yīng)校驗碼進行解碼處理,，得出正確結(jié)構(gòu),。編碼與解碼所采用的編碼方式可以根據(jù)需要選擇，如漢明碼,，最佳奇權(quán)碼,，藤原英二碼等等。

　　2.2.2 漢明碼介紹

　　下面以擴展?jié)h明碼為例說明編碼糾錯檢錯的原理,。 擴展?jié)h明碼（Extended Hamming Code）在存儲系統(tǒng)的糾錯檢錯中得到了廣泛應(yīng)用,。他的最小碼距是4，對于數(shù)據(jù)位數(shù) k,，校驗位數(shù) r,，他們之間的關(guān)系需滿足 2r-1 ≥ k+r。如果數(shù)據(jù)位 k增加一倍,，校驗位 r也只需要增加1位,，所以它具有相當高的編碼效率。 8位數(shù)據(jù)經(jīng)過4位編碼后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

　　C= [D7D6D5D4D3D2D1D0C3C2C1C0]其中 D7～D0是數(shù)據(jù)位,，C3～C0是校驗位：

　　C3= D7 ⊕D6 ⊕ D5 ⊕ D4 ,； C2= D7 ⊕D3 ⊕ D2 ⊕ D1； C1= D6 ⊕D5 ⊕ D3 ⊕ D2 ⊕ D0 ,； C0= D6 ⊕D4 ⊕ D3 ⊕ D1⊕ D0

　　解碼時需計算存儲數(shù)據(jù)的伴隨向量 S: S3= C3 ⊕CB3,；S2= C2 ⊕CB2 ；S1= C1⊕CB1,；S0= C0 ⊕CB0 其中 CB0,，CB1,CB2,CB3為 8位數(shù)據(jù)在解碼時刻的校驗位。根據(jù)算得的伴隨向量 S我們就可以判斷數(shù)據(jù)位是否發(fā)生錯誤及錯誤發(fā)生的位置,。

　　2.3 兩種糾錯方法的比較

　　TMR與 EDAC都屬于硬件冗余,，對于不同字長的存儲器，他們所占用的面積開銷和時間開銷是不同的。TMR所占用的面積開銷包括冗余的2個目標器件以及判決器及附屬電路邏輯,，EDAC所增加的面積開銷則包括了增加的校驗位，編碼器,，解碼器及附屬邏輯 1,。根據(jù)以上分析我們可以得出結(jié)論，對于保護寄存器,，寄存器組等容量較小的存儲器件,，TMR有實現(xiàn)簡單，增加面積較少的有點,。而對于大容量的存儲器,，則應(yīng)當采用 EDAC來進行糾錯檢錯。

　　3高可靠性 8051具體方案設(shè)計及實現(xiàn)通過對 SEU的機理分析及 mc8051結(jié)構(gòu)分析可以得出,，容易受到粒子輻射的關(guān)鍵部位有

　　3：特殊寄存器（Special Function Register ,，SFR），內(nèi)部 ram,，外部 ram,。本論文就上述三個模塊對 mc8051IP核進行了該進。

　　3.1特殊寄存器（SFR）

　　mc8051IP核的特殊寄存器(SFR)均在 control_mem文件中實現(xiàn),。該模塊實現(xiàn) 8051譯碼功能,。SFR字節(jié)地址范圍是80H-FFH，他們在 RAM中并不是完全連續(xù)的,，21個 SFR離散的分布在上述字節(jié)區(qū)域的128個字節(jié)單元中,。在mc8051IP核中并沒用將這些SFR設(shè)計在內(nèi)部 ram中，而是對應(yīng)地址分別實現(xiàn)的,。對 SFR的加固處理是采用了 TMR技術(shù),。具體實現(xiàn)步驟如下：

　　綜合后結(jié)果截取如下圖：

　3.2內(nèi)部 RAM

　　該 IP核可支持 128字節(jié)內(nèi)部RAM.由 2.3分析，方案采用 TMR方式對內(nèi)部 RAM進行處理,，選用 3個相同的 128字節(jié)的 RAM作為冗余的存儲器,，由 mc8051_ram_fsm與 mc8051_ram_dataflow兩個模塊組成了內(nèi)部 RAM的數(shù)據(jù)通路，其中前者完成寫優(yōu)先的讀寫狀態(tài)控制,，后者完成數(shù)據(jù)流向控制,。數(shù)據(jù)通路負責(zé)完成數(shù)據(jù)校驗?？刂仆放c數(shù)據(jù)通路組成內(nèi)部 RAM接口邏輯,。經(jīng)過仿真后內(nèi)部 RAM接口結(jié)構(gòu)框圖及讀寫時序如下：

　　圖 2(B)可看出：寫數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)輸入后第二個周期被寫入RAM,；讀數(shù)據(jù)時,，讀指令被檢測到后的第 5個周期經(jīng)校驗后的正確數(shù)據(jù)被輸出并且被回寫給RAM。在接入工程應(yīng)用時需將外部時鐘進行 6倍頻以配合 cpu讀寫時序。

　　3.3 外部 RAM

　　外部 RAM最大可以支持64K,，同樣由 2.3分析,，方案選取能糾 1位錯檢 2位錯的擴展?jié)h明碼進行 EDAC處理。其中,，數(shù)據(jù)處理單元完成數(shù)據(jù)的編碼,，解碼，地址鎖存及數(shù)據(jù)輸出功能,。讀寫狀態(tài)機 FSM完成外部 RAM的讀寫狀態(tài)控制,，同樣，為配合 ram的 IP軟核時序,，我們將 FSM設(shè)計為寫優(yōu)先,。仿真后的 EDAC結(jié)構(gòu)框圖及讀寫時序如下：

　　需要指明的時上圖仿真時外部時鐘為 10Mhz,經(jīng)過 altera公司 alt_pll進行了 6倍頻及相位調(diào)整，前一個寫指令未被執(zhí)行的原因是 PLL需要 2到 3個時鐘周期的調(diào)整穩(wěn)定頻率輸出,。 EDAC模塊的讀寫時序與內(nèi)部 RAM相似,，寫數(shù)據(jù)時第 2個時鐘周期經(jīng)過處理后的 8位原數(shù)據(jù)以及 4位校驗數(shù)據(jù)一同被寫進 RAM，讀數(shù)據(jù)時,，讀出的 12位數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼糾正后在第 5個時鐘周期輸出 8位數(shù)據(jù)并將糾正后的 12位數(shù)據(jù)回寫進 RAM,，以防止 SEE的積累。由時序圖可知以上設(shè)計完全符合設(shè)計要求,。

　　3.4全系統(tǒng)仿真

　　在完成上述幾個方面的 IP定修改之后,，對 mc8051的頂層系統(tǒng)進行了 modelsim的綜合前仿真，仿真部分結(jié)果如下：

　　仿真時將 ROM的初始化文件設(shè)置為 mc8051文檔中的 tc1.hex,，方便與原 IP核進行對照,。為在 modelsim仿真前，我們已將 altera的 altera_mf庫加入到 modelsim庫文件中,。在進行功能仿真的時候調(diào)用了其中的 alt_pll來進行時鐘處理,。在使用該 IP核時可以根據(jù)具體采用的器件來完成倍頻的功能。以上時序完全正確,，說明修改后的 IP核與原 IP核功能上等同,。

　　4結(jié)論

　　本文在oreganosystems公司提供的開源mc8051IP軟核的基礎(chǔ)上根據(jù)高可靠性航天電子設(shè)計的方法修改了部分模塊，實踐證明修改后的功能與原 mc8051IP 核完全相同,，達到設(shè)計目的,。可以根據(jù)需要將 IP核綜合后生成的網(wǎng)表文件下載進現(xiàn)場可編程邏輯器件（ FPGA）或者進行流片設(shè)計成 ASIC,，具備航天使用價值,。本文創(chuàng)新點：本文根據(jù)在研航天項目需要，定制了一種可適應(yīng)航天工作環(huán)境的微控制器 IP核,。采用常用的容錯技術(shù)對普通商用 IP核進行了加固,。該 IP核的成功改造,，可以一定程度上減輕我國軍品級芯片對國外的依賴，提高了效率,，為后續(xù)的研究積累了寶貴經(jīng)驗,。