论SRAM型FPGA软核Microblaze抗单粒子加固的方法
microblaze是32位/64位 risc软核处理器，可以用作微处理器、实时处理器和应用处理器（linux+mmu）。microblaze作为fpga的软核，搭建硬件系统时有丰富的ip资源，软件开发则有配套的sdk软件。 目前microblaze在工业、医疗、汽车、消费以及通信市场有着广泛的应用。
microblaze有这么多优点，是否可以用在宇航市场上呢？空间环境中，fpga会受到单粒子效应影响，microblaze是使用fpga内部的资源来实现的，可能会发生功能中断或程序跑飞等情况，因此需要对microblaze进行软件层面的加固来降低see的影响。
microblaze最小系统的组成包括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。 今天贫道以microblaze最小系统为例，简单介绍一下pg268 xilinx方案（fault torelant和fail safe），然后着重介绍高可靠加固方案、方案在tmr工具的实现和故障注入验证结果，如图1所示：
图1 microblaze最小系统
01
xilinx 加固方案
fault-tolerant type是对原系统整体复制两份，并在关键的data lmb controller和instruction lmb controller增加判决器，并对io接口增加判决器。假如单路mb由于see发生软错误，那么通过判决器能够把软错误屏蔽掉。fault-tolerant type优点是实现简单，只需要利用好tmr manager的run block automation功能，就能一键实现加固。fault-tolerant type属于粗粒度加固，因此缺点是可靠性提升有限。
图2 fault-tolerant默认框图
图3 tmr voter插入位置 值得一提的是fault-tolerant type默认的方案是对bram做tmr，如果bram资源受限，那么可以更改设计对bram做ecc。
图4 fault-tolerant type ecc实现
fail-safe type加入了tmr comparator，实时对三个sub block进行比较。当某一个sub block发生异常的时候，另外两路正常的sub block进入到lock step模式。lock step模式下，一旦发现两路sub block数据不一致，那么就会进入到fatal stop模式。
fail-safe type的优点是可以在lock step模式下，通过app尝试进行恢复，恢复成功后重新返回到fault torelant模式。fail-safe type的优点也是缺点，app需要用户自行开发，设计比较复杂。此外如果软错误比较严重，会进入到fatal stop模式，该模式没法完成恢复，只能重新加载来解决软错误。
图5 fail-safe type框图
图6 fail-safe type故障模式转换流程
02
高可靠加固方案
高可靠加固方案是把microblaze当做一般的ip，在网表层面采用tmr工具进行细粒度加固。同时考虑microblaze的特点，对存储器bram进行tmr加固或者ecc加固。考虑到tmr或者ecc只能屏蔽错误，无法消除错误。因此为了更进一步提高可靠性，对储存器采用ecc+回写刷新，这样可以消除错误。本文只讨论local memory应用场景的加固方案和实现，下面将对实现部分做简要的介绍。
1.1 存储器bram ecc实现
microblaze默认的local memory结构如下图所示，需要做的是展开microblaze_0_local_memory。
图7 microblazelocal memory
展开microblaze_0_local_memory，可以看到local_memory是由lmb bus、lmb bram controller和block memory组成。
图8 localmemory结构
需要做的是打开lbm bram controller，勾选error correction code。
图9 lmb bram controller设置
工具自动实现更改block memory属性，使用soft方式来实现bram的ecch32-7编解码。
图10 block memroy ecc参数设置
2.1 存储器bram ecc+自刷新逻辑
默认的local memroy结构里面，bram的两个端口都被占用住，要想实现自刷新就得更改local memroy结构。microblaze支持复用dlmb和ilmb的控制器，这样两个控制器就共用一个bram端口，另一个端口用于自刷新，如下图所示：
图11 共享memory结构
开发的自刷新模块连接到freeport上，对bram全地址循环遍历，读出数据（32bit）和校验位（7bit）进行1bit错误纠错。如果解码过程出现1bit错误，把纠错后的数据回写到bram中。
图12 自刷新结构
2.2 microblaze system tmr实现
tmr工具可以对任意资源设置属性，block memroy采样ecc方案，因此属性设置为converge。
图13 tmr工具custom模式下参数自定义设置 tmr工具可以统计出加固前的资源消耗，以及预估加固后的资源消耗，便于设计师进行评估和迭代设计。
图14tmr工具加固前资源统计和加固后资源预估
加固完成后，tmr工具可以统计出准确的资源使用情况。
图15tmr工具加固后资源统计
tmr工具自动创建加固后工程并自动添加约束文件。
图16 tmr psot工程
执行implementation和generate bitstream。
图17 post工程完成impl和bitgen
2.3 故障注入验证
microblaze system采用tmr进行加固可靠性得到提升，tmr加固推荐采用dtmr/gtmr加固方式。microblaze system中存储器部分选择的是ecc加固，需要针对block memroy进行故障注入验证。
图18 bram故障注入测试 故障注入验证结果如下：
1）存储区不加固，随机注入70~100bit错，系统异常
2）存储区ecc纠错，随机注入700~800bit错，系统异常
3）存储区ecc纠错+回写，随机注入10000bit错，系统仍正常工作 microblaze采样高可靠方案进行加固后可靠性得到提升，采用ecc纠错+自刷新措施可靠性最高。软核除了在fpga内部进行软加固外，还应该采用外部scrubber来消除cram的累积错误，这样经过多种加固措施后的软核应该能满足大部分的空间应用需求。
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VSS/虚拟演播室系统,如何构建iSCSI磁盘阵列
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学会Linux添加自定义系统调用
物联网思维怎样去看待灾情
LTE牌照发放难题猜想：一团标准迷局？
选择和设计LED驱动电源应该考虑的问题
4G工业路由器与常见的路由器有什么区别
取消动能回收调节设置 变成了“自适应动能回收力度调整”
microblaze有这么多优点，是否可以用在宇航市场上呢？空间环境中，fpga会受到单粒子效应影响，microblaze是使用fpga内部的资源来实现的，可能会发生功能中断或程序跑飞等情况，因此需要对microblaze进行软件层面的加固来降低see的影响。
microblaze最小系统的组成包括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。 今天贫道以microblaze最小系统为例，简单介绍一下pg268 xilinx方案（fault torelant和fail safe），然后着重介绍高可靠加固方案、方案在tmr工具的实现和故障注入验证结果，如图1所示：
图1 microblaze最小系统
01
xilinx 加固方案
fault-tolerant type是对原系统整体复制两份，并在关键的data lmb controller和instruction lmb controller增加判决器，并对io接口增加判决器。假如单路mb由于see发生软错误，那么通过判决器能够把软错误屏蔽掉。fault-tolerant type优点是实现简单，只需要利用好tmr manager的run block automation功能，就能一键实现加固。fault-tolerant type属于粗粒度加固，因此缺点是可靠性提升有限。
图2 fault-tolerant默认框图
图3 tmr voter插入位置 值得一提的是fault-tolerant type默认的方案是对bram做tmr，如果bram资源受限，那么可以更改设计对bram做ecc。
图4 fault-tolerant type ecc实现
fail-safe type加入了tmr comparator，实时对三个sub block进行比较。当某一个sub block发生异常的时候，另外两路正常的sub block进入到lock step模式。lock step模式下，一旦发现两路sub block数据不一致，那么就会进入到fatal stop模式。
fail-safe type的优点是可以在lock step模式下，通过app尝试进行恢复，恢复成功后重新返回到fault torelant模式。fail-safe type的优点也是缺点，app需要用户自行开发，设计比较复杂。此外如果软错误比较严重，会进入到fatal stop模式，该模式没法完成恢复，只能重新加载来解决软错误。
图5 fail-safe type框图
图6 fail-safe type故障模式转换流程
02
高可靠加固方案
高可靠加固方案是把microblaze当做一般的ip，在网表层面采用tmr工具进行细粒度加固。同时考虑microblaze的特点，对存储器bram进行tmr加固或者ecc加固。考虑到tmr或者ecc只能屏蔽错误，无法消除错误。因此为了更进一步提高可靠性，对储存器采用ecc+回写刷新，这样可以消除错误。本文只讨论local memory应用场景的加固方案和实现，下面将对实现部分做简要的介绍。
1.1 存储器bram ecc实现
microblaze默认的local memory结构如下图所示，需要做的是展开microblaze_0_local_memory。
图7 microblazelocal memory
展开microblaze_0_local_memory，可以看到local_memory是由lmb bus、lmb bram controller和block memory组成。
图8 localmemory结构
需要做的是打开lbm bram controller，勾选error correction code。
图9 lmb bram controller设置
工具自动实现更改block memory属性，使用soft方式来实现bram的ecch32-7编解码。
图10 block memroy ecc参数设置
2.1 存储器bram ecc+自刷新逻辑
默认的local memroy结构里面，bram的两个端口都被占用住，要想实现自刷新就得更改local memroy结构。microblaze支持复用dlmb和ilmb的控制器，这样两个控制器就共用一个bram端口，另一个端口用于自刷新，如下图所示：
图11 共享memory结构
开发的自刷新模块连接到freeport上，对bram全地址循环遍历，读出数据（32bit）和校验位（7bit）进行1bit错误纠错。如果解码过程出现1bit错误，把纠错后的数据回写到bram中。
图12 自刷新结构
2.2 microblaze system tmr实现
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