什么是SEU現(xiàn)象

由于高能粒子的撞擊，器件的存儲(chǔ)單元內(nèi)容有可能受到干擾，甚至出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。這種單個(gè)存儲(chǔ)單元的翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象（原有內(nèi)容為0的變成1；或者原有為1的變成了0）就稱為SEU （Single Event Upset）。

正常情況下，SEU現(xiàn)象不會(huì)導(dǎo)致器件的永久性損壞，并且通過重新配置器件即可糾正。但是如果錯(cuò)誤位置位于設(shè)計(jì)的核心區(qū)域，或者錯(cuò)誤隨邏輯構(gòu)建的功能模塊逐級傳遞出去，均會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)異常

Xilinx設(shè)計(jì)的SEM Core

幸運(yùn)的是，由于SEU現(xiàn)象發(fā)生的概率極低，絕大多數(shù)普通設(shè)計(jì)應(yīng)用并不需要考慮這一問題。但是在航空、航天等高可靠性需求環(huán)境下，或者在一些高海拔地區(qū)，發(fā)生SEU的概率會(huì)相應(yīng)增加。為了及時(shí)糾正這種SEU引發(fā)功能異常，進(jìn)一步提高FPGA器件的可靠性，Xilinx開發(fā)了Soft Error MitigationCore，簡稱SEM IP。

FPGA內(nèi)部的存儲(chǔ)單元主要分為4大類：Configuration RAM （CRAM）, Block RAM (BRAM), Distributed RAM (DRAM) 以及Flip-Flops(FF)。CRAM用于存儲(chǔ)FPGA的配置數(shù)據(jù)，也是占比最大的存儲(chǔ)單元模塊。剩下三種的占比依次減少，均可以被用戶邏輯使用。

SEM IP可以通過不間斷地循環(huán)掃描FPGA的CRAM，快速檢測出其中是否有存儲(chǔ)單元內(nèi)容和初始值不一致，并且可以把已經(jīng)被翻轉(zhuǎn)的存儲(chǔ)單元的值修復(fù)為原來的值。該IP占用資源少，使用方便靈活，可以及時(shí)地糾正大多數(shù)SEU錯(cuò)誤，從而避免了重新配置FPGA的麻煩。

需要注意的是，SEM IP并不會(huì)掃描監(jiān)測剩余三種存儲(chǔ)單元。BRAM雖然也是數(shù)量較多的存儲(chǔ)單元模塊，但Xilinx的BRAM可以開啟自帶的ECC校驗(yàn)功能，糾正SEU或者其他問題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。另外，DRAM和FF的數(shù)量相對來說比較少，疊加考慮SEU現(xiàn)象發(fā)生的極低概率，這兩部分的SEU問題一般可以安全忽略。

入門案例簡介

下面我們就基于KCU116開發(fā)板，介紹一下如何在設(shè)計(jì)中加入一個(gè)最基本功能的SEM IP，從而開啟芯片的SEU檢測功能。

1.IP生成

a. 打開Vivado, 基于KCU116建立一個(gè)新的空白R(shí)TL工程；

b. 選擇所使用的FPGA的型號(hào)，或者選擇所開發(fā)板的型號(hào)。這里我們選擇KCU116，Rev 1.0.

c. 確認(rèn)器件信息，生成新的工程。

d. 在PROJECT MANAGER的IP Catalog中，選擇FPGA Features andDesign-> Soft Error Mitigation -> UltraScale Soft Error Mitigation, 雙擊打開。

KCU116開發(fā)板上是一塊XCKU5P-2FFVB676E，對應(yīng)的IP名稱為UltraScale Soft Error Mitigation(3.1)。如果你使用的是其他芯片，那么SEM IP的名稱會(huì)有所不同，比如7系列的芯片就是Soft Error Mitigation (4.1). 界面和功能會(huì)略有不同：

IP的基本默認(rèn)設(shè)置如下圖所示：

SEM IP有多種工作模式，設(shè)計(jì)里面最常用的就是 ‘Mitigationand Testing’。這個(gè)模式和其他模式包含的功能如頁面中表格所示。Mitigation andTesting 包含了最基本的糾錯(cuò)功能，和驗(yàn)證IP能否正常工作，模擬SEU事件的Error injection功能。此外還支持一些有用的調(diào)試命令，比如說讀取一些寄存器等等。這里我們就選擇這種模式。

Controller Clock Period (ps)，是以ps為周期的單位來選擇SEM IP工作的時(shí)鐘。時(shí)鐘頻率越高，糾正錯(cuò)誤的速度越快。UltraScale+系列根據(jù)型號(hào)不同，支持的最高頻率可以高達(dá)200MHz。考慮KCU116開發(fā)板有自帶的90MHz的時(shí)鐘，這里我們選擇11111ps。

注意，SEM IP一般要求有獨(dú)立時(shí)鐘，即它的工作時(shí)鐘最好不要同時(shí)用來驅(qū)動(dòng)其他邏輯。

其他設(shè)置使用默認(rèn)設(shè)置。生成IP。

2. 生成Example Design

SEM IP與其他IP不太一樣的地方，是我們建議你完整地把SEM IP的整個(gè)參考設(shè)計(jì)并入用戶設(shè)計(jì)中，而不是僅僅添加一個(gè)xci核。參考設(shè)計(jì)正確地建立了與底層核心硬核ICAP和FRAME_ECC的連接，并且加入了非常有用的一些調(diào)試手段，比如VIO，可以觀測IP的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)；比如串口模塊，可以方便地實(shí)現(xiàn)和IP的交互以及調(diào)試。在入門應(yīng)用或者對于資源沒有非常緊張的應(yīng)用中，直接使用參考設(shè)計(jì)是最保險(xiǎn)的做法。當(dāng)然，產(chǎn)品中可以把主要針對調(diào)試的串口模塊去掉。

a.這里選擇右鍵單擊xci文件，選擇‘Open IP Example Design

b. 觀察Example Design，其包含了IP 的頂層wrapper文件，一些輔助模塊（串口，VIO等），以及約束文件以及仿真文件。

c. 為了保證timing的正確，注意保持所有原有的位置以及timing等約束。根據(jù)自己PCB的設(shè)置，分配一下sem_ultra_0_example_design_impl.xdc里面時(shí)鐘和串口的管腳。

d. 編譯工程，生成用于下載的bit文件。

3.下載測試

a. 使用micro-USB下載線連接PC和KCU116的JTAG接口，這是為了通過JTAG接口下載配置bit文件。同時(shí)使用另外一根micro-USB連接PC和KCU116的USB-UART接口，打開PC上的Tera Term軟件，連接Standard COM Port并做如下設(shè)置：

b. 通過HW Manager掃描到VU5P器件，下載bit文件。

c. 下載成功后，首先可以看到Tera Term上出現(xiàn)了SEM正確初始化的信息：

d. Vivado的Dashboard中，共出現(xiàn)了三個(gè)hw_vio_x界面。選中其中的+號(hào)，把預(yù)先定義好的信號(hào)添加進(jìn)去。

這個(gè)界面顯示的是IP當(dāng)前的狀態(tài)。IP在初始化過程結(jié)束后，其status_initialization信號(hào)會(huì)從高變低，隨之進(jìn)入工作狀態(tài)status_observation，該信號(hào)由低變高。此狀態(tài)正常應(yīng)該情況下會(huì)看到status_heartbeat信號(hào)是一個(gè)不斷toggle的狀態(tài)。

這個(gè)界面提供了和IP交互的命令行界面。我們這里為了方便，一般把command_strobe，即命令使能信號(hào)，做成一個(gè)高有效按鈕。

一般我們用hw_vio1和hw_vio2就足夠了。hw_vio3是用于IP和其他控制邏輯分配資源等的一些控制信號(hào)，這里不會(huì)用到。

此時(shí)的IP已經(jīng)在正常工作，監(jiān)測設(shè)計(jì)的SEU狀態(tài)了。IP位于哪個(gè)狀態(tài)，那么狀態(tài)信號(hào)status_*就會(huì)相應(yīng)的拉高。

4. 糾錯(cuò)功能驗(yàn)證

如果芯片遭受到了高能粒子轟擊并且存儲(chǔ)單元出現(xiàn)了內(nèi)容反轉(zhuǎn)，IP會(huì)從observation狀態(tài)退出，表現(xiàn)為status_observation拉低，status_correction被拉高開始糾錯(cuò)工作。如果糾錯(cuò)成功，IP會(huì)重新進(jìn)入status_observation狀態(tài)繼續(xù)工作。由于我們并未開啟高級的錯(cuò)誤分類功能，所有位置的錯(cuò)誤都會(huì)被IP認(rèn)定為是關(guān)鍵位置。因此status_essential信號(hào)會(huì)被置高并保持不變。

由于真實(shí)的SEU事件及其稀少，我們?nèi)绾文軘喽↖P是否已經(jīng)正常工作，并且能及時(shí)糾正錯(cuò)誤呢？SEMIP提供了一個(gè)模擬錯(cuò)誤注入功能，即Error Injection。下面我們來進(jìn)行一次單bit注入測試。

a.打開hw_vio2, 由于模擬錯(cuò)誤注入需要先把IP切換到IDLE狀態(tài)，我們需要先在command_code輸入E00_0000_0000，然后按一下command_strobe按鈕。

b. 在串口輸出上，可以觀測到這一過程，IP已經(jīng)從觀測狀態(tài)O，進(jìn)入了IDLE狀態(tài)I：

等待command_busy上面顯示的箭頭消失后，說明該命令已經(jīng)執(zhí)行完畢，可以輸入下一條命令了。

c. command_code輸入 C00_0000_0001，這是IP的插錯(cuò)指令，表示在存儲(chǔ)單元address 0x1上，進(jìn)行內(nèi)容的反轉(zhuǎn)。除了第一個(gè)hex字符表示插錯(cuò)指令，后面10個(gè)hex字符用于填寫插錯(cuò)的地址。按一下command_strobe按鈕；此時(shí)對應(yīng)串口的顯示。

d.由于IP只有在Observation狀態(tài)才能檢測錯(cuò)誤并且糾正錯(cuò)誤，所以我們還需要使用指令A(yù)00_0000_0000，使IP回到正常工作狀態(tài)：

e. 觀測IP的狀態(tài)信號(hào)，如下：

可以看到status_heartbeat又恢復(fù)了跳動(dòng)；status_observation再次拉高；status_essential信號(hào)由于沒有開啟高級的錯(cuò)誤分類功能，因此被置為高。

相應(yīng)的串口也有詳細(xì)的報(bào)告報(bào)出，包括錯(cuò)誤的具體地址：

至此，基本的SEM IP的功能均以得到驗(yàn)證。

5. 合入原有設(shè)計(jì)

現(xiàn)在只要把這個(gè)SEM IPexample完整合入你原來的工程了。這里提供一個(gè)簡單的demo設(shè)計(jì)，本身的功能是按一定次序循環(huán)點(diǎn)亮開發(fā)板上的LED燈。只要給這個(gè)設(shè)計(jì)再添加一個(gè)頂層top文件，把原有LED點(diǎn)亮的設(shè)計(jì)和SEM IP example調(diào)用合入即可。如下圖：

重新編譯，開啟了SEU保護(hù)的整個(gè)設(shè)計(jì)就完成了。

結(jié) 語

本文介紹了如何把一個(gè)具有最基本檢錯(cuò)糾錯(cuò)功能的SEM IP合入到你的設(shè)計(jì)當(dāng)中去。觀測SEMIP的狀態(tài)輸出信號(hào)，或者查看串口打印的報(bào)告，你就已經(jīng)可以知道設(shè)計(jì)當(dāng)前是否正常運(yùn)行，還是已經(jīng)出現(xiàn)了SEU錯(cuò)誤，并且相應(yīng)做出正確決策了。

對于絕大多數(shù)設(shè)計(jì)來說，這一基本功能就已經(jīng)完全夠用。你的設(shè)計(jì)已經(jīng)開啟了SEU保護(hù)，可以應(yīng)對90%以上的SEU事件了。