基于太空級Virtex FPGA建立高靈活性的可擴展架構

目前，天基電子系統開發人員面臨的壓力越來越大，在項目日程安排越來越緊張且預算一再削減的情況下，他們卻需要提供更高的系統性能。然而，天基系統具有一套獨特而嚴格的尺寸、重量和功耗（SWAl？）限制，這對于設計人員來說無疑是一個棘手的問題。

為達到事半功倍的效果，各大公司紛紛采用FPGA等商用成品（COTS）器件。從SWAP限制、成本與工作效率方面來說，可重構的FPGA所固有的靈活性為天基系統的開發人員提供了巨大的幫助。

充分利用現有工程設計與預算資源的一種方式是創建能部署到多個太空任務中的靈活的有效負載。SEAKR工程公司采用可重構的賽靈思Virtex FPGA創建了靈活的高性能計算平臺作為各種天基系統的核心。使用該可重構的汁算（RCC）方法，可在多個太空任務的SWAP、成本與時間限制范圍內實現高要求的性能目標。最引人注目的例子包括：SEAKR為美國雷神公司（Raytheon）的先進反應戰術效能軍用成像光譜儀（Artemis）開發的板載處理器、可編程太空收發器以及目前尚在開發過程中的可編程太空IP調制解調器和獵戶座視覺處理器。

應用獨立處理器的架構

這款全新平臺稱為應用獨立處理器（AIP），在靈活、可擴展的架構中集成了一系列標量處理器與RCC，可支持開放式標準，如圖1所示。由于該處理器具有靈活的I/O架構，可以？昆搭各種板卡以創建最適合應用要求的不同配置，稱之為專門任務功能。AIP利用賽靈思基于SRAM的FPGA的獨特功能，允許在軌重構，從而獲得更高的靈活性與SWAP優勢。Ail？還支持各種抗單粒子效應（SEE）輻射技術，確保在不同軌道中都能夠可靠地進行操作。

AIP系統架構的核心是一塊可重構的計算機板卡，其上包括3個Virtex-4 FPGA，如圖2所示。SEAKR對目前可用的組件進行了調研，結果表明Virtex FPGA是惟一能達到性能目標并具有航天飛行特性要求的設備。針對要求最苛刻的應用，賽靈思提供了Virtex-4QV太空級設備。這些太空級FPGA 采用了與商用級FPGA相同的架構，但經過特殊處理和篩選以達到Q類與V類要求。

ViHex-4 FPGA通過與順序處理器協調工作，可充當協處理器以加速關鍵處理密集型任務的進展。三重FPGA板的架構具有高度的靈活性，可滿足不同任務的獨特需求。例如，在抗SEE技術中使用3個FPGA，可滿足該技術對組件級冗余性的要求；多個設備間共享一個大型協處理器并使用環形總線通過LVDS接口連接3個 FPGA，可實現設備間的高速通信。采用擴展的6U外形，板卡上將有2個連接器用于板卡間通信：一個用于CompactPCI背板，另一個用于高速串行網絡。

每個FPGA都可直接訪問RCC板上的專用高速存儲器以及支持通過高速夾層卡進行擴展與定制的連接器。使用此架構，可以利用特定I/O、存儲器、模擬電路甚至附加邏輯來擴展RCC板的功能。特定應用中的抗SEE輻射架構的組件夾層卡，通過3個連接器與RCC板連接起來，每個連接器可提供170 LVDS I/O。

將特定任務的功能模塊移動到夾層卡，可以在多種獨特應用中使用相同的基于FPGA的處理卡。該通用架構有助于降低項目風險、減少成本并縮短時間。

FPGA中的抗輻射效應

基于SRAM的配置電路在受到輻射時極易發生翻轉，因此在太空中飛行的基于FPGA的可重構系統需要給予特別考慮，以確保其在高輻射環境中可靠運行。首先要考慮組件的選擇。除了工業和軍事溫度級選項外，賽靈思還提供V級Virtex-4與Virtex-5 FPGA，這些FPGA經過特殊處理，可以防止因輻射而導致的閉鎖現象，保證總劑量輻射效應下的性能。這些器件還能經受中子和質子i七束的進一步錘煉，可靠地預測出特定軌道上單粒子翻轉（SEU）及單粒子功能中斷的頻率。此數據可指導工程師選擇適用于應用與軌道的抗翻轉方案。

可重構FPGA的抗翻轉功能一般需要組合使用硬件三重冗余與配置存儲器清除。硬件三重冗余包括三重關鍵電路，即使在某一組件發生輻射引發的翻轉后也能確保連續運行。此外，它還增加了一個表決電路，該電路將來自3個邏輯分支的、信號進行比較并拒絕因翻轉而產生的無效信號。

設計人員可從一系列方案中進行選擇，以滿足系統性能與可用性要求。其中一種方法是使用冗余FPGA與一個抗輻射的外部表決電路。另一種方法是設備級抗輻射，即在一個FPGA中配置三重關鍵任務邏輯并使用相關聯的表決電路。傳統上，工程師手動實現三模冗余（TMR）設計方法?，F在，賽靈思提供了專門的設計工具，可在FPGA內自動實現，FMR。選擇抗輻射方案時，會受到一些因素的影響，比如目標電路的尺寸、選定軌道中的輻射級別及電路的運行時間要求等。

存儲器清除的基本概念是比累計翻轉次數更頻繁地重寫配置存儲器。設計人員可從一系列存儲器清除方法中進行選擇，以適應不同的翻轉頻率與運行時間要求。最簡單的方法就是將完整比特流重新加載到配置存儲器中。該方法開銷低，但要求電路至少在1個配置周期內保持不工作。對于在運行時間方面要求更嚴格、翻轉率更高或同時存在這2種情況的應用，還可采用更高級的方法。例如充分利用VirtexFPGA的部分重構功能，包括檢測存儲器翻轉然后只重構存儲器陣列的選定子集的電路。

AIP應用現狀

AIP架構已成功應用于4個不同的太空任務。通過組合使用基于FPGA的RCC板與靈活的夾層卡，工程師可以快速構建各種處理與通信系統并實施適合每次太空任務獨特要求的抗輻射方案。

第一個采用AlP的真實產品是先進的反應戰術效能軍用成像光譜儀Artemis，該設備將在計劃于2009年第2季度發射的TacSat-3衛星上運行。Artemis旨在提供戰場情景意識，它利用衛星收集的數據執行先進的影像處理，然后通過窄帶下行鏈路將這些影像傳送給現場的士兵。工程師意識到，需要采用RCC方案才能滿足太空船對尺寸、重量和功耗的要求：大小為7.8×11.41×10英寸；重量為18英磅；功耗為40W（硬限制為50W）。

Artemis系統中，2個Virtex-4 FPGA負責執行傳感器數據采集與校準等預處理功能，，基于Micro-BlazeTM軟處理器內核的嵌入式處理系統可協調存儲器訪問與處理器調整，而 PowerPC單板計算機用于實現影像生成與目標提示。圖1顯示了Artemis系統架構。

由于影像數據路徑不是關鍵任務型，所以配置存儲器清除為Artemis提供了合適的抗輻射功能。設計人員無需采取3個邏輯或冗余設備就能夠滿足可用性要求。不僅如此，還可以使用商用級FPGA來構建閃存；每個比特流都配置FPGA以處理特定波形和頻率。這樣，系統將能夠使用最少的硬件數來支持多種波形，如表1所示。

高度靈活的RCC板為初始系統開發前期帶來了諸多優勢。請求與接收一系列頻隙之間的延遲時間可能超過一年。使用可重構的硬件，設計人員能夠在接收到這些頻隙之前著手開發，從而降低了系統成本。2個Virtex-4 FPGA共享影像處理工作負荷，而第3個FPGA保留空閑以最小化功耗。

AIP首次應用后極大地提高了工作效率，顯著降低了一次性工程費用，從而使接下來的每個項目都能節省約一年的開發時間。

RCC幫助實現靈活的收發器

AIP的第二個太空任務應用是可編程衛星收發器。PST系統提供了可在多個無線電波段上進行頻率捷變衛星通信的功能。SEAKR工程師最后得出的結論是，即使是高端的PowerPC處理器也無法在SWAP要求（即3.86×6.85×7英寸、10磅以及10W的接收功耗與45W發射功耗）的范圍內提供必需的重吊能力。

為了滿足上述要求，設計人員利用Vinex FPGA的系統內重構功能。該系統在頻譜分配中存儲多個配置比特流，以實現所需頻率。此外，該功能還可使開發人員修改系統以滿足后續任務要求。SEAKR 正在為未來的部署開發更多的波形。

PST任務的本質是簡化了抗輻射要求。通信系統保持對通道的端對端控制，同時還能夠容許數據錯誤：一旦數據出現損壞，系統將重新傳輸受影響的數據包。該固有的容錯功能意味著配置存儲器清除為控制路徑提供了合適的抗SEU輻射功能。為了保護中間處理結果，在夾層卡上設立了3個存儲器。

為了完成系統，需將AIP板與RF模塊、電源模塊通過擴展的6U形底板連接起來，該底板可承受震動及發射時的其他壓力。

太空中的因特網

太空中的分組網絡有望提供與地面網絡相同的靈活性和穩健性。長期以來，可重構的FPGA一直是主流的有線網絡設備，正如在可編程衛星因特網協議調制解調器中所展示的優勢一樣，它可為天基應用提供卓越的性能、高度的靈活性并能加速設計進程。PSIM可從標準衛星通信波形中提取以太網幀，同時還便于太空船上的IP路由。使用分組衛星通信，可通過虛擬電路來路由與電子束和波形無關的數據。與標準彎管式衛星通信通道相比，分組網絡提高了可擴展性與流量，實現了分散式多播，且足夠靈活，能夠提供出色的服務質量。

PSIM包括12個貼裝在4個RCC卡上的Videx-4V FPGA，以及位于堅固耐用的底板上的2個順序處理器與1個模擬開關卡。FPGA負責執行波形處理，而順序處理器提供以太網接口和分組交換功能。

該太空任務在可用性方面要求采用比Artemis或PST中使用的抗輻射能力更強的方案。因為錯誤恢復需要很長時間，而且還會降低可用性，不能達到目標要求。因此，系統必須能夠提供不間斷的端對端控制。SEAKR工程師實施了一種既可實時糾正錯誤又可提供不間斷服務的抗輻射方案。

在每個RCC板上的3個設備中設立了三重FPGA邏輯。夾層卡上的抗輻射邏輯設備充當主力表決器。在后臺進行存儲器清除操作，這對網絡操作而言是完全透明的。此外，夾層卡還提供到路由器的物理接口。

采用PSIM的太空任務計劃于2009年第2季度啟動。

載人航天的高性能視頻

AIP架構的最新應用是獵戶座載人太空船的視覺處理單元（VPU）。VPU可為處理影像算法提供可重構的平臺，有利于位姿估計、光學導航以及壓縮/ 解壓縮。該系統從星象跟蹤儀、視覺導航傳感器、空間對接照相機以及情景意識攝像機等各種傳感器處接收影像數據。

處理如此龐大的數據需要結合順序處理器與基于FGPA的RCC卡。Virtex-4 FPGA可實施功能識別、圖形覆蓋、平鋪以及視頻壓縮等視頻處理算法。此外，它們還集成了MicroBlaze軟處理器內核以協調算法核心和處理器通信?；贚EON容錯處理器的單板計算機旨在協調系統、處理錯誤、配置與監控RCC并控制互連。

夾層卡提供傳感器接口，實施與所有3個FPGA相連的LVDS鏈路，最大限度地提高視頻流選擇與抗輻射方案的靈活性。

由于VPU所執行的任務“受監測入主觀限制”，SEAKR工程師選擇了Virtex-4QV太空級FPGA，并實施了更強大的抗輻射方案。通過結合使用TMR方法和配置存儲器清除，可確保透明地糾正控制路徑錯誤。

總之，通過Virtex FPGA，SEAKR工程師不僅已為太空應用開發了應用獨立的處理器，同時還在多次太空任務中展示了該處理器的高度靈活性。RCC在基于衛星的影像處理與通信、高靈活性的無線電通信、天基網絡以及人類太空飛行導航等領域中充當了主要組件。

太空級Virtex FPGA是COTS組件，可為要求苛刻的數據處理和通信系統提供所需性能。使用這些可重構的FPGA，可建立高靈活性可擴展架構，從而降低開發成本并縮短設計周期。除了支持快速開發與靈活的地面制造外，Virtex FPGA還提供在軌重構功能，從而可獲得更多顯著的SWAP優勢。

新一代的V級可重構FPGA可提供更高的邏輯容量、更高的硬化IP塊集成度、更高的性能以及更低的功耗，因此可獲得更多尺寸、重量和功耗等方面的優勢?？馆椛淇芍貥嫷腣irtex FPGA消除了邏輯級或設備級的冗余實施，這不僅簡化了設計人員的工作，同時還進一步擴展了SWAP優勢。

審核編輯：黃飛

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