當系統正常運行時間具有最高優先級時，FPGA 被證明是極其可靠和通用的嵌入式組件。

安全關鍵系統不能失敗，因為如果失敗，后果可能是致命的。許多悲慘的事故說明了這一點，例如 2008 年在加利福尼亞州查茨沃斯發生的災難性火車相撞事故，當時兩輛迎面而來的火車在單軌鐵路段上迎頭相撞。最近的事件之一是亞利桑那州一輛自動駕駛優步汽車造成的致命事故。在這種情況下，技術故障意味著車輛在與行人相撞之前沒有停下來。

Therac-25 放射裝置于 1980 年代在美國和加拿大的幾家診所使用，是安全關鍵醫療系統出現故障時可能發生的情況的一個例子。該設備有一個軟件引起的故障，導致幾名患者受到極端甚至有時是致命的過量照射。即使是“日常”安全系統，例如工業電力和加工廠中的交通信號燈或控制系統，如果控制電子設備出現缺陷，也會造成巨大的損害。

對電子元件的高要求

為了保護人類生命并避免環境災難，必須不惜一切代價避免安全關鍵系統故障。因此，對所有使用的組件的要求特別高。根據應用的不同，此類系統還必須在惡劣的環境中工作，在某些情況下設計為冗余，并始終在定義的（確定的）時間段內做出響應，以確保對危險事件做出可靠的反應。為此，必須監控安全關鍵系統的功能，以便它始終對偏差測量、不一致的數據或其他負面影響做出適當的反應。如果最壞的情況發生，安全關鍵組件還必須確保系統始終在安全方面發生故障。

然而，作為一項規則，市場上的大多數分立元件不支持所需的監控功能，但它們通常至關重要——例如，為了符合電子系統的某些安全標準。即使提供支持，長期項目也面臨著長期可用性的挑戰，以避免高額的改造后續成本。例如，這適用于鐵路部門的安全解決方案，其中組件經常使用數十年。

該硬件問題的一種解決方案是在軟件中映射安全關鍵功能。這種方法解決了過時問題，因為軟件可以相對容易地遷移到新硬件。然而，它并不是萬能的靈丹妙藥。一方面，確定大量源代碼的安全性非常復雜。確保確定性行為也不是一件容易的事，因為這需要對整體硬件/軟件解決方案的實時能力進行全面測試。由于所有這些原因，安全關鍵系統的開發人員越來越多地轉向現場可編程門陣列 （FPGA）。

FPGA 和功能安全

由于其功能設計，FPGA 非常適合安全關鍵要求。它們提供所有必要的功能，在安全關鍵型工業系統中作為電子元件發揮著特別重要的作用。例如，利用 FPGA，即使符合相關的安全標準，也可以根據具體的行業特定要求定制安全功能。一個決定性的優勢在于 FPGA 的靈活結構；由多個功能單元或 IP 構建塊組成，可以組合以滿足給定的要求，無需每次都從頭開始開發解決方案。例如，此類 IP 構建塊用于 MEN Mikro Elektronik K 卡（K1、K2 和 K7），以通過更多 K 卡有效擴展 menTCS 系列。

如果 FPGA 是較大單元（處理器板或帶有計算機或擴展模塊的載板）的一部分，則在 FPGA 內進行功能修改以滿足特定應用需求或所需安全級別相對容易，而無需重新設計整個電路板。這種靈活性意味著單一的硬件解決方案可以適應廣泛的應用。

通過設計實現功能安全

此外，FPGA 還可以在開發安全關鍵系統期間節省成本和時間。使用可用工具，系統板開發人員可以輕松測試 FPGA 的錯誤行為。例如，可以在 FPGA 開發環境中模擬更復雜的錯誤，然后修改系統，使其在發生錯誤時顯示所需的行為。除了模擬錯誤行為之外，開發工具當然也可以用來證明 FPGA 設計的功能是否正確。為此，電路板供應商可以為 OEM 提供在其各個行業進行認證所需的參考材料和文檔，從而使 OEM 更容易實施和認證他們的解決方案。

監控功能和擴展溫度范圍

FPGA 的另一個優勢是電路板制造商可以根據給定的要求集成對安全關鍵系統至關重要的控制和監視功能。雖然溫度測量或組件監控功能是各種安全關鍵電子系統標準中的默認要求，但提供的功能并不總是相同的。例如，用于安全關鍵系統的 FPGA 系統板通常被批準在 –40°C 至 85°C 的溫度范圍內使用。但制造商 MEN Mikro Elektronik 還提供完整的認證解決方案，其中集成了 FPGA，適用于從 –55°C 到 125°C 的極寬溫度范圍。如果可以通過 FPGA 靈活調整所需的板卡監控邏輯，則可以減少板卡開發人員的工程工作量，

具有附加投票功能的冗余

惡劣環境中的環境影響，例如宇宙射線對飛機電子設備的影響，可能導致組合邏輯中稱為單事件瞬變 （SET） 的毛刺以及從 0 到 1 的位翻轉，反之亦然，稱為單事件瞬變- 寄存器元件和存儲單元中的事件翻轉 （SEU），從而危及整個安全系統的功能。

使用 FPGA，可以創建多個功能相同的冗余組件，并增加投票功能。如果這些冗余組件中的一個返回不正確的值——例如，由宇宙射線引起——它會被其他正常運行的組件使用它們的投票功能否決。通過使用適當的開發工具簡單方便地復制組件，可以在由功能相同的 IP 塊組成的單個 FPGA 中相對容易地實現這種功能冗余。

當然，也可以對多個 FPGA 進行冗余布線。在這種情況下，原始 FPGA 的 IP 邏輯也可以以相對較少的工作量轉移到冗余 FPGA 組件中。這使系統能夠緩解甚至與硬件相關的 FPGA 故障。

確定性信號處理

安全關鍵系統依賴于對時間敏感、確定性的信號處理，因為實時處理在所有常見的安全關鍵應用中都起著至關重要的作用。

非確定性信號處理可能會產生致命的后果。FPGA 是確定性電路。每個 I/O 進程在 FPGA 上都有自己的電路，并采用其精確定義的時間路徑。由于 FPGA 的并行結構，競爭過程——在最壞的情況下可能會相互阻礙——可以通過設計來避免。因此，即使在高頻下，此類系統的響應時間也是可精確預測和確定的——例如，在監控現場總線、以太網和/或 PCIe 的信號一致性以檢測可能導致安全關鍵系統做出錯誤決策的傳輸錯誤時。

功能長期可用性

FPGA 還有另一個優勢：因為它們的功能是基于軟件的，所以它們也是超長期項目的理想選擇。今天生產的大多數電子元件最遲在 10 年后往往會過時。例如，這個問題會影響到鐵路部門，該部門的系統通常會持續使用數十年。

由于 FPGA 的功能主要在于軟件，如果舊的 FPGA 不再可用，它可以移植到更新的 FPGA。因此，使用基于 FPGA 安全邏輯的嵌入式計算板的 OEM 客戶不會遇到過時問題；即使以前使用的 FPGA 不再可用，電路板制造商也可以在很長一段時間內提供功能相同的嵌入式邏輯。

因此，建議將 FPGA 用于安全關鍵的嵌入式計算機系統——從標準 CPU 和擴展模塊到客戶特定系統——以滿足鐵路、航空、醫療和工業技術等眾多領域的高 SIL 安全要求.