由于基于SRAM的FPGA具有灵活性强、可重复编程和低开发成本等特点,因此被广泛应用于通信、消费类电子产品、国防军工和航空航天等领域。当这种FPGA应用于国防或航空航天领域时,对辐射环境具有潜在的敏感性,因为辐射环境中的高能粒子入射FPGA时,会使编程点SRAM发生翻转。同时,单粒子翻转(SEU)也会发生在FPGA的触发器中,这些翻转最终导致FPGA实现的电路功能发生改变。随着集成电路工艺的不断进步,器件的尺寸和敏感结点的距离越来越小,单粒子效应引起的多位SRAM发生翻转逐渐成为重要的失效模式。在当前条件下,传统的加固方法在性能和代价上体现出来越来越多的不足。综上所述,本文在设计FPGA关键模块电路的基础上,对基于SRAM的FPGA在辐射环境中所受到的具体影响做出研究,并提出了针对以上单粒子翻转效应带来问题的有效解决方案。本文的主要工作和贡献如下：FPGA的逻辑功能主要是由可编程逻辑单元(CLB)和可编程互连来实现的,是FPGA的关键模块。本文具体描述了FPGA结构中的CLB的结构设计并设计实现了适用于嵌入IP核的可编程互连,同时对单粒子翻转对其影响进行了分析。CLB比传统的查找表(LUT)+触发器的结构容量扩充了一倍,也增加了额外的功能电路。可编程互连结构由全局互连和模块互连组成,其中模块互连中的通用互连矩阵(GRM)采用统一的结构,更利于芯片的扩展和嵌入各种IP核。通过分析得出单粒子翻转带来的影响包括查找表功能错误、互连线连接关系出错、互连线短路、触发器翻转等,这些错误最终导致FPGA的功能发生变化。针对FPGA中编程点和触发器的翻转问题,提出了新型的SEU加固的存储单元和触发器。SEU加固SRAM单元是通过在组成互耦结构的反相器的PMOS管和NMOS管之间插入忆阻器来实现的,只用到了忆阻器的高阻状态。与其它结构比如HIT[74]、DICE[75]、10T[76]单元的抗单粒子效果相仿,面积分别小了60.7%、45%和63.3%。SEU加固的触发器融合了Muler C[79]和上文SRAM单元加固的方法的优点,既能解决由组合逻辑传来的单粒子瞬时脉冲(SET)被触发器捕获引起的触发器翻转,也能解决触发器本身的敏感节点被单粒子撞击时引起的翻转。针对SRAM的MBU问题,提出了多结点翻转(MNU)加固的SRAM单元。在传统的SRAM单元构成互耦反相器的晶体管漏极插入忆阻器,其中与敏感晶体管相连的配置为高阻态,其它配置为低阻态,形成分压通路。不仅实现了对所有敏感节点进行加固,还具有非易失特性,解决了传统基于SRAM的FPGA断电后信息丢失的问题。该单元的写操作除了需要对单元写入正确值外,同时还需要对忆阻器的状态进行配置。为此,本文对其写操作时序重新进行了定义。设计了相应的测试电路和版图,与普通的SRAM阵列相比,增加了忆阻器配置电路和位线数据产生电路,用以对忆阻器的状态进行配置。