基于FPGA的空間存儲器糾錯系統(tǒng)的設(shè)計研究

　1、引言

　　阿爾法磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer，AMS)實驗室是丁肇中博士領(lǐng)導(dǎo)的由美、俄、德、法、中等16個國家和地區(qū)共300多名科學(xué)家參加的大型國際合作項目。它是國際空間站上唯一大型物理實驗，是人類第一次在太空中精密地測量高能量帶電原子核粒子的實驗。其目的是為尋找反物質(zhì)所組成的宇宙和暗物質(zhì)的來源以及測量宇宙線的來源。

　　但是對于AMS實驗的空間電子系統(tǒng)，同樣會受到高能粒子的襲擊，導(dǎo)致存儲器的內(nèi)容發(fā)生變化，改寫半導(dǎo)體存儲器件的邏輯狀態(tài)，導(dǎo)致存儲單元在邏輯‘0’與‘1’之間發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使存儲的關(guān)鍵數(shù)據(jù)出錯，控制程序跑飛等。這對于AMS實驗系統(tǒng)來說，是一個不容忽視的問題。因此，我們采用二元BCH(31，16)碼，能糾正三位隨機錯誤，這種糾錯碼信息不需要儲存，不需要反饋，實時性好。

　　2、編譯碼原理

　　對于空間電子系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題，我們進行檢錯與糾錯，其基本思想是在信息碼組中以一定規(guī)則加入不同方式的冗余碼，以便在信息讀出的時候依靠多余的監(jiān)督碼或校驗碼來發(fā)現(xiàn)或自動糾正錯誤。

　　2.1 編碼

　　編碼比較簡單，二元BCH(31，16)是GF(25)域上的線性分組碼，其中二進制最高位m=5，總信息長n=2m-1=31，校驗位數(shù)k=15，可糾錯位數(shù)t=3，生成多項式g(x)為：

　　2.2 譯碼

　　譯碼過程比較復(fù)雜，包括1)求伴隨多項式，2)系數(shù)計算電路，3)錯誤位置計算電路，其中最關(guān)鍵的是第三步，如圖1。這里假設(shè)接收到的數(shù)據(jù)錯了三位，第28、20、17位發(fā)生了0／1偏轉(zhuǎn)，即

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　　(1)求伴隨多項式

　　根據(jù)生成多項式與ai的最小多項式之間的關(guān)系，用φi(x)去除接收多項式R(x)而得到伴隨式分量，即，

　　(2)系數(shù)計算電路

　　令錯誤位置多項式

(3)錯誤位置計算

　　由上一步我們得出錯誤圖樣為：

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　　因此原碼多項式為：

　　3、仿真與下載

　　對于上述編譯碼算法，采用Verilog HDL可綜合語言來描述，整個程序分為頂層模塊和底層模塊，頂層模塊很簡單，主要完成底層模塊的調(diào)用和數(shù)據(jù)的復(fù)位，編碼算法主要由底層模塊完成。其中包括編譯碼算法主程序，撥碼開關(guān)控制程序，液晶顯示程序，系統(tǒng)函數(shù)PLL(鎖相環(huán))程序。系統(tǒng)利用兩個撥碼開關(guān)sw1，sw2來控制編碼結(jié)果或譯碼結(jié)果的下載與顯示。

　　圖2和圖3是編碼和譯碼的仿真圖，仿真工具用的是modelsim 6.0，編碼結(jié)果CX=0x69d8ba0e，譯碼過程中，根據(jù)接收多項式RX=0x79caba0e以及最小多項式f1=0x25，f3=0x3d，f5=0x37，譯碼后得出錯誤多項式EX=0x10120000，最后RX與EX相與得出CX_dec=0x69d8ba0e，與原碼一致。圖4和圖5是下載后顯示到液晶屏的結(jié)果CX=0x69d8ba0e，EX=0x10120000，所用編譯工具是quartusⅡ5.0，FPGA芯片采用的是Altera Cyclone EP1C6，用到1個PLL，引腳數(shù)15個，芯片資源耗用不超過5萬門。

　　4、結(jié)束語

　　BcH(31，16)編譯碼算法，可以糾正3位錯誤，用VerilogHDL可綜合語言描述以上的編碼糾錯過程，軟件仿真和硬件下載都證明了算法的正確性和可行性。整套試驗系統(tǒng)是模擬空間存儲器受到高能粒子的干擾而發(fā)生錯誤，這對于我們AMS實驗也是很關(guān)鍵的一步，現(xiàn)階段我們用到的防護措施是三倍冗余編碼糾錯，但它占用的硬件資源比較多，而本文中所研究的循環(huán)BCH碼能夠節(jié)省資源，糾錯效果也很明顯，所以它將會在AMS項目中得到實際的應(yīng)用。