Ахметов А.О., Бобровский Д. В., Калашников О.А., Некрасов П.В.

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ПЛИС ПРИ ПРОВЕДЕНИИ

РАДИАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ

СТОЙКОСТЬ-2010, г. Лыткарино

ВведениеВведение

В системах управления современной аппаратуры специального назначения широко применяются функционально сложные сверх большие интегральные схемы (СБИС), к числу которых относятся программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС)

1/22

Преимущества: Быстродействие Перепрограммируемость Большое количество линий

ввода-вывода Большое количество

ресурсов

Обзор ПЛИСОбзор ПЛИС

Фирмы производители:XilinxAlteraActelLattice Semiconductor Atmel

КТЦ “Электроника” Архитектуры ПЛИС:FPGACPLDAntifuse

САПР:ISEQuartusLibero IDEispLEVERFPGA ids

2/22

Параметрические отказы.Деградация Iсс [А];Деградация Uoh [В], Uol [В];Деградация Uih [В], Uil [В];Деградация временных характеристик.

Дозовые эффекты в ПЛИСДозовые эффекты в ПЛИС

Функциональные отказы. Потеря информации в конфигурационной и пользовательской памяти ; “Залипание” информации в ячейках памяти, невозможность перезаписи; Отказы внутренних блоков.

3/22

Параметрический контроль ПЛИСПараметрический контроль ПЛИС

Контроль электрических параметров ПЛИС не отличаетсяот стандартной процедуры для других ИС.

В процессе производится измерение статического тока потребления напряжения высокого и низкого логических уровней входные пороговые напряжения

Наличие большого количества однотипных блоковпозволяет использовать интегральный подход при оценке динамических параметров ПЛИС, таких как времяпереключения триггера и др.

4/22

Методы функционального контроля ПЛИСМетоды функционального контроля ПЛИС

Существующие методы функционального контроля ПЛИС:

1.100% Функциональный контроль на “тестерах”

2.Функциональный контроль в составе системы

3.Использование оригинальной тестовой прошивки

• Упрощенная прошивка типа “многоразрядный счетчик”

• Специализированная прошивка, позволяющая проводить

независимый функциональный контроль базовых блоков ПЛИС

5/22

Полный функциональный Полный функциональный контроль ПЛИСконтроль ПЛИС

Полный ФК ПЛИС на промышленных тестерах+ Наиболее полное тестирование- Большое время тестирования- Большое время на подготовку теста- Габаритные размеры не позволяющие использовать вблизи источников воздействия и ограничивающие мобильность- Высокая стоимость

В большинстве случаев невозможно использовать

при радиационных испытаниях

6/22

Функциональный контроль в составе устройства+ малые трудозатраты на подготовку эксперимента- Относительная применимость полученных результатов для другого использования данной ПЛИС- Необходимость защиты активных компонентов платы от воздействия излучения

Редкое использование из-за ограниченности

полученных результатов

Функциональный контроль ПЛИСФункциональный контроль ПЛИСв составе устройствав составе устройства

7/22

Функциональный контроль Функциональный контроль с использованием оригинальной с использованием оригинальной

тестовой прошивкитестовой прошивки

Прошивка типа “Многоразрядный счетчик”,

“Сдвиговый регистр”

+ Максимальное заполнение ПЛИС- Не все типы ресурсов ПЛИС задействуются- В случае отказа невозможно определить отказавший блок

Тестирование всехпримитивов ПЛИС

по отдельности.

+ Возможность тестирования всех ресурсов ПЛИС по отдельности+ В случае отказа определяется отказавший блок- Повышение трудоемкости при тестировании

Зависит ли уровень стойкости ПЛИС к накопленной дозе от прошивки?

Какую оптимальную прошивку использовать, чтобы определить уровень стойкости и отказавший блок ПЛИС?

8/22

Типичная структура ПЛИС Типичная структура ПЛИС FPGAFPGA

ПЛИСКонфигурационный логический блок

Блоки ввода-вывода

Блочная память

Дополнительные аппаратные ресурсы

Таблица преобразования – LUTЗапоминающий элемент – триггерМультиплексорЛогика ускоренного переноса– одноразрядный сумматор

ядро DSP процессораPLLEthernet и д.р.

9/22

Сдвиговый регистр

Многоразрядный счетчик

Тестовая прошивка типа Тестовая прошивка типа ““СчетчикСчетчик””, , ““Сдвиговый регистрСдвиговый регистр””

10/22

Контроль функционированияКонтроль функционирования запоминающих элементовзапоминающих элементов

логических ячеек.логических ячеек.

N∙tзадержки

11/22

Контроль функционирования Контроль функционирования мультиплексоров логических ячеекмультиплексоров логических ячеек

A0..A31

OUT

12/22

Контроль функционирования Контроль функционирования блочной памяти ПЛИС и блочной памяти ПЛИС и

таблицы преобразования(таблицы преобразования(LUTLUT))

13/22

Контроль функционированияКонтроль функционирования логики ускоренного переносалогики ускоренного переноса

Вх. данные 1

Вх. данные 2

Перенос

Вых. данные

14/22

Контроль функционирования блока Контроль функционирования блока PLLPLL

fpll_вх

fpll_вых = 2∙fpll_вх

fpll_вых = fpll_вх/2

15/22

Шасси PXI-1033 с встроеннымконтроллером ExpressCard.

Плата цифро-аналогового ввода/вывода PXI-7841R(96 цифровых линий 40МГц, 8 аналоговых входов/выходов).

Управляемый источник питания PXI-4110 (3 управляемых канала 0…6В, 0…20В, -20…0В).

Высокоскоростная платацифрового ввода вывода PXI-6542 (32 цифровых линии, 100 МГц)

Аппаратное обеспечение Аппаратное обеспечение экспериментаэксперимента

16/22

Программное обеспечение Программное обеспечение эксперимента.эксперимента.

17/22

Результаты. Результаты. Контролируемые блоки ПЛИС Контролируемые блоки ПЛИС

Функциональный контроль1. Запоминающий элемент(триггер) логической ячейки2. Мультиплексоры логической ячейки3. Блочная память4. Таблицы преобразования(LUT)5. Конфигурационная памятьПараметрический контроль:1. Ток потребления2. Напряжение высокого логического уровня3. Напряжение низкого логического уровеня

18/22

Результаты тестирования ПЛИС Результаты тестирования ПЛИС EPF10K50EPF10K50

Блочная память Триггер логической ячейки

График зависимости доли отказавшихячеек блочной памяти от

накопленной дозы

График зависимости времени переключения триггера логической

ячейки от накопленной дозы

19/22

Результаты тестирования ПЛИС Результаты тестирования ПЛИС AX250AX250

Блок PLL

График зависимости выходной частоты PLL от накопленной дозы

20/22

Зависимость уровня стойкости Зависимость уровня стойкости ПЛИС от прошивкиПЛИС от прошивки

21/22

1. Уровень стойкости зависит от прошивки ПЛИС. Таким образом, необходимо подобрать оптимальную прошивку ПЛИС, способную выявить дозовые деградации характерных параметров примитивов ПЛИС.

2. Использование прошивок типа “Счетчик” может привести к значительному завышению уровня стойкости ПЛИС.

3. Требуется разработка специализированной прошивки

ВыводыВыводы22/22