利用FPGA新特性實(shí)現高可靠性汽車(chē)系統設計

目前，汽車(chē)中使用的復雜電子系統越來(lái)越多，而汽車(chē)系統的任何故障都會(huì )置乘客于險境，這就要求設計出具有“高度可靠性”的系統。同時(shí)，由于FPGA能夠集成和實(shí)現復雜的功能，因而系統設計人員往往傾向于在這些系統中采用 FPGA。不過(guò)，將FPGA用于汽車(chē)系統時(shí)需要關(guān)注兩個(gè)主要問(wèn)題：確保用于FPGA初始化的配置代碼正確無(wú)誤；防止器件工作時(shí)SRAM的內容遭到損壞。只有這些問(wèn)題得到徹底解決，FPGA才能成為高度可靠汽車(chē)系統的組成部分。幸運的是，目前通過(guò)AEC-Q100認證的FPGA已加入先進(jìn)的特性，能夠有效解決上述問(wèn)題。本文介紹的幾個(gè)方案可用于解決保護初始化配置和防止潛在的SRAM內容損壞的問(wèn)題。

保護FPGA的配置

隨著(zhù)系統上電，基于SRAM的FPGA將從外部源加載其配置。引導源可以是存儲器件，如串行EEPROM或Flash ，也可以是智能器件，如微控制器。針對初始化位流，所有的FPGA都具有某種類(lèi)型的循環(huán)冗余校驗(CRC)，在啟動(dòng)結束時(shí)進(jìn)行測試，檢驗傳送是否完整。如果在位流中檢測到一個(gè)差錯，FPGA將無(wú)法初始化。這可以防止系統產(chǎn)生錯誤的(也可能是危險的)操作。大多數的FPGA將通過(guò)對一個(gè)外部引腳置位，來(lái)告知系統控制器初始化失敗，請求另一個(gè)初始化序列，以期取得配置成功。在遇到以下幾種情況時(shí)，會(huì )發(fā)生初始化位流的損壞情況：

* 引導存儲器的硬件故障

* 存儲器內容保存的問(wèn)題

* 蓄意篡改

* 存儲器內容被擦除

* 電氣噪聲

利用FPGA設計高可靠性的汽車(chē)系統時(shí)，為了正確處理這些情況，必須遵循以下四個(gè)基本步驟：

第一步是使用具有片上閃存的非易失性SRAM FPGA。這改變了從外部存儲器引導配置載入FPGA內部的方式。采用將引導源移入同一塊芯片的方法消除了許多常見(jiàn)的初始化失敗模式。這種類(lèi)型的集成設計還提升了初始化速度，可在即時(shí)啟動(dòng)系統中使用這種FPGA。

第二步是添加一個(gè)可靠的外部自行引導器件(圖1) 。FPGA的一個(gè)主要特點(diǎn)是能夠現場(chǎng)重復編程。對汽車(chē)系統而言，這一特性允許下載新的程序，用于授權的現場(chǎng)更新，修復設計錯誤或添加額外的功能。不過(guò)，在傳輸和對存儲器編程期間，數據流可能被損壞，而且損壞的數據流會(huì )阻止正確的FPGA初始化。為了應對更新過(guò)程中的損壞，在外部存儲器件中已復制了初始化代碼，稱(chēng)為“golden”的廠(chǎng)家備份。即便有任何問(wèn)題，存儲在內部存儲器的配置代碼都可以使該系統得到恢復。通過(guò)添加第二個(gè)引導器件，就能夠保證廠(chǎng)家備份，或至少可以具有“間接恢復”系統的功能。

圖1 FPGA雙引導系統

第三步是保護存儲在外部存儲器件中的位流備份，采用位流加密來(lái)保護引導配置代碼(圖2)。許多車(chē)用FPGA系列支持128位AES位流加密，以防止逆向工程和未經(jīng)授權地對設計進(jìn)行更改。在外部引導器件中存儲著(zhù)加密的配置代碼，可以在初始化時(shí)譯碼，然后再移入SRAM單元。同樣的加密機制也可以用來(lái)將一個(gè)新的配置代碼載入內部閃存。

圖2 外部引導的AEC譯碼或Flash編程位流。

第四個(gè)也是最后一個(gè)步驟是“鎖定”FPGA，以防止未經(jīng)許可進(jìn)入存儲配置。用非易失性FPGA內部的可編程寄存器控制對內部配置存儲器的訪(fǎng)問(wèn)?？赡艿慕M合情況如下：1)解鎖。 2)可解密鎖定－通過(guò)編程接口提供的128位密鑰能夠使器件解鎖。3)永久鎖定－器件被永久鎖定。

為了進(jìn)一步加強器件的安全性，可用一次性可編程(OTP)模式。一旦器件設置成這個(gè)模式，就不可能擦除閃存的內容或對器件再次編程。

選擇車(chē)用級的通過(guò)AEC - Q100認證的非易失性FPGA時(shí)，審查制造商的非易失閃存的耐久性和數據保存指標是很重要的，這將確保車(chē)輛運行時(shí)和處于貯藏溫度時(shí)FPGA都能正確保存其存儲器內容。例如，LatticeXP2是唯一非易失性的通過(guò)AEC - Q100認證的SRAM /Flash FPGA，它能滿(mǎn)足所有這些系統的要求。LatticeXP2的片上閃存允許大范圍地對整個(gè)器件進(jìn)行存儲器測試，確保即使器件在最高溫度下連續工作，至少10年內存儲器的內容都不會(huì )丟失。