基于fpga動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于fpga動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模的擴(kuò)大和復(fù)雜性的提高，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性問題越來越受到重視?！翱煽啃浴敝傅氖恰霸诮o定時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)定義的要求完成某些功能的概率”。這個(gè)定義也可以理解。該系統(tǒng)存在缺陷，但如果不影響正常功能的執(zhí)行和完成，則是“可靠”。提高系統(tǒng)可靠性的基本方法有兩大類:即故障預(yù)防(faultprevention)和故障容錯(cuò)(faulttolerant).故障預(yù)防是抑制故障的產(chǎn)生,如優(yōu)選元器件或功能模塊.但事實(shí)上要完全抑制故障的產(chǎn)生既不現(xiàn)實(shí),也不可能,因而只能設(shè)法減少故障的產(chǎn)生.故障容錯(cuò)是利用冗余的元件或部件去屏蔽已發(fā)生故障對系統(tǒng)的影響,它需要增加系統(tǒng)內(nèi)軟件和硬件的開銷.故障容錯(cuò)的確切定義是:如果一個(gè)系統(tǒng)在出現(xiàn)一定的運(yùn)行性故障(operationalfault)時(shí),能夠依靠系統(tǒng)內(nèi)駐的能力以保持系統(tǒng)連續(xù)正確地執(zhí)行其程序和輸入輸出功能,則這個(gè)系統(tǒng)稱作故障容錯(cuò)系統(tǒng).故障容錯(cuò)系統(tǒng)對可預(yù)料的和不可預(yù)料的2種故障都能產(chǎn)生屏蔽作用,可預(yù)料的故障往往可以模型化,因此,比較容易屏蔽.而對于不可預(yù)料的故障,如VLSI芯片中的隨機(jī)故障,根本無法用若干有限模型去描述,因此屏蔽這樣的故障是很困難的.即使芯片中有若干冗余模塊的容錯(cuò)設(shè)計(jì),往往也無能為力.基于SRAM技術(shù)的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA),可以通過對芯片重新布局布線及網(wǎng)表數(shù)據(jù)重載,實(shí)現(xiàn)芯片邏輯功能的現(xiàn)場重構(gòu)和修改.特別是近年來,隨著器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)和緩存邏輯(cachelogic)概念的提出,基于SRAM編程的FPGA器件,不僅使在系統(tǒng)可編程(ISP)和在系統(tǒng)可重新編程(ISR)得以實(shí)現(xiàn),而且使FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)得以創(chuàng)立.而正是這種系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)特點(diǎn),為系統(tǒng)內(nèi)的隨機(jī)故障,特別是不可預(yù)料故障的動(dòng)態(tài)修復(fù),提供了實(shí)現(xiàn)的可能性.1fpga動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)所謂的FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù),是指對于特定結(jié)構(gòu)的基于SRAM編程的FPGA,在一定的控制邏輯的驅(qū)動(dòng)下,可對芯片邏輯功能實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)的高速動(dòng)態(tài)變換.這種動(dòng)態(tài)可重構(gòu)特征引出一種新的設(shè)計(jì)思想:即以小規(guī)模硬件邏輯資源來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)時(shí)序功能;將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的空間分布的硬件邏輯,分化為器件外部特征不變,而內(nèi)部邏輯在時(shí)間上交替變換,并共同在時(shí)間空間上構(gòu)成系統(tǒng)整體邏輯功能.這種芯片邏輯功能的動(dòng)態(tài)重構(gòu),可以是全局變換,也可以是局部修改.設(shè)某時(shí)序系統(tǒng)的整體功能為Ft,在不同的工作時(shí)刻,實(shí)時(shí)有效的模塊功能為fti(設(shè)i=0～N).該系統(tǒng)的整體功能Ft為各時(shí)刻fti的集合,則有FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的主要特征正是將Ft整體功能按時(shí)序分解為fti(i=0～N)的組合,并根據(jù)時(shí)序需要,分時(shí)對芯片進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu),以較小容量的硬件資源,去實(shí)現(xiàn)較大的時(shí)序系統(tǒng)整體功能.圖1是一種典型的FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)原理示意.從圖中可以看出,具有所謂緩存邏輯(cachelogic)的FPGA,在外部邏輯的控制下,可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對芯片邏輯實(shí)現(xiàn)全局變換或局部修改.通過有控制地重新布局布線的資源利用,來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu).要使FPGA有效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu),主要要求FPGA從結(jié)構(gòu)上滿足:①具有在系統(tǒng)可編程(ISP)和在系統(tǒng)重新編程(ISR)能力的基礎(chǔ)上,可動(dòng)態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)資源的重新配置,而不會(huì)破壞器件中全局或局部的邏輯操作的能力.②器件元胞對稱,即在任何時(shí)刻、任何通用的基本邏輯功能可以配置于器件的任一位置,允許采用簡單模型組合去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的復(fù)雜功能.FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù),對于利用FPGA的有限資源,去動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì),創(chuàng)造了條件.同樣,對于數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì),也可利用FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)特征.采用FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)方法設(shè)計(jì)的數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng),其系統(tǒng)功能為Ft=ftii=0～N(2)和式(1)不同,式(2)中的邏輯功能模塊fti就是系統(tǒng)整體功能Ft;即設(shè)計(jì)中的各時(shí)刻有效邏輯模塊的功能雖然相同,但內(nèi)部電路的布局布線則是不同的,甚至是隨機(jī)的.因?yàn)橹挥羞@樣,才能在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)過程中,使芯片內(nèi)的電路系統(tǒng)通過重新布局布線,繞過某些點(diǎn)的失效故障,保持系統(tǒng)對外功能的有效性.2篩選模塊冗余結(jié)構(gòu)模型采用FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)方法構(gòu)造數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng),其基本原理基于經(jīng)典的故障容錯(cuò)理論,其核心在于多模冗余結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)不是由冗余的硬件邏輯資源來構(gòu)成,而是由FPGA分時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)來實(shí)現(xiàn).經(jīng)典的三模冗余結(jié)構(gòu)故障容錯(cuò)模型,是基于多數(shù)表決的思想.其結(jié)構(gòu)如圖2所示.圖中M1,M2,M3是3個(gè)相同的模塊,它們的輸出均送到一個(gè)“多數(shù)表決器”的輸入端,然后把多數(shù)表決器的輸出作為整個(gè)系統(tǒng)的輸出.多數(shù)表決器V可以用一組與或門組成,如圖3所示.三模冗余結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)可以正常工作的條件是:或三模均正常;或三模中有任意兩模正常,由此,三模冗余結(jié)構(gòu)的可靠性RT為RT=R3+3R2(1-R)=3R2-2R3(3)式中,R為單模的可靠性.為了提高系統(tǒng)的可靠性,可以采用N模冗余的結(jié)構(gòu)(N>3).但是,采用表決結(jié)果作為正確信號,而各模塊M的輸出直接同這個(gè)“正確”信號來比較,以確定模塊是否有故障,這在一般情況下是可行的.但如果由于某種原因(如表決器本身的故障)使輸出信號有故障,則可能把好的模塊視作故障模塊.如果可以假設(shè)系統(tǒng)中各模塊通常都是一個(gè)一個(gè)地發(fā)生故障,即若干個(gè)模塊同時(shí)發(fā)生故障的概率很小,因此可以考慮采用篩選模塊冗余結(jié)構(gòu)的方式直接在模塊之間作比較,以判別故障模塊.篩選模塊冗余結(jié)構(gòu)模型如圖4所示.本文采用FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)原理來嘗試數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì),就是選擇篩選模塊冗余結(jié)構(gòu)模型.針對此模型設(shè)計(jì)的FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng)功能框圖如圖5所示.在系統(tǒng)中,將同樣功能的系統(tǒng)模塊M1,M2,M3,M4分列于同一FPGA的不同區(qū)域進(jìn)行布局布線的實(shí)現(xiàn),并將驗(yàn)證無誤的設(shè)計(jì)結(jié)果,采用PROM文件形式分別存貯于專用的EPROM器件的不同地址.并根據(jù)系統(tǒng)模型,分別在其外部或混于內(nèi)部,設(shè)計(jì)外部比較檢錯(cuò)電路、計(jì)數(shù)電路以及實(shí)驗(yàn)用強(qiáng)制出錯(cuò)信號電路.實(shí)驗(yàn)時(shí),采用強(qiáng)制出錯(cuò)信號,模擬芯片內(nèi)某點(diǎn)發(fā)生故障,并通過檢測器發(fā)出信息,驅(qū)動(dòng)并將另一系統(tǒng)模塊Mi(i=2,3,4)的PROM文件下載,從而激活芯片第2區(qū)域(另一個(gè)系統(tǒng)模塊),利用芯片其他區(qū)域的資源,實(shí)現(xiàn)相同的系統(tǒng)功能,從而實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的自動(dòng)糾錯(cuò)功能.同樣,當(dāng)?shù)?個(gè)系統(tǒng)模塊被檢測出具有故障時(shí),檢測器發(fā)出信息,驅(qū)動(dòng)并再將第3系統(tǒng)模塊數(shù)據(jù)文件下載于芯片的第3區(qū)域.如此循環(huán),直到系統(tǒng)功能恢復(fù)正常為止.在圖5中,系統(tǒng)模塊設(shè)定為4個(gè).實(shí)際上,為了提高系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力,可以建立更多個(gè)系統(tǒng)模塊(采用不同區(qū)域的布局布線來實(shí)現(xiàn)相同的邏輯功能),甚至可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)任意多個(gè)不同布局布線的相同功能模塊,通過高速地自比較、自檢測及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu),實(shí)現(xiàn)故障的自修復(fù)及系統(tǒng)的自適應(yīng)要求.3fpga動(dòng)態(tài)可重構(gòu)方法的應(yīng)用在本實(shí)驗(yàn)中,以一個(gè)心臟起博器電路系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),采用Xilinx4008EPC84-3器件為動(dòng)態(tài)可重構(gòu)FPGA載體.該系統(tǒng)有4個(gè)脈動(dòng)波形發(fā)生器,提供心臟起博功能,并內(nèi)附出錯(cuò)檢測、計(jì)數(shù)及控制電路.和傳統(tǒng)的數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng)不同之處在于,在任一時(shí)刻,4個(gè)脈沖波形發(fā)生器的硬件資源只有1個(gè),而不是常規(guī)設(shè)計(jì)中需要4個(gè).采用FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu),其實(shí)質(zhì)在于,4個(gè)波形發(fā)生器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后,均以PROM網(wǎng)表文件的軟件形式存于FPGA所配置的PROM之中,需要時(shí)自動(dòng)被調(diào)用出來,以維持心臟起博器正常工作.為了模擬芯片內(nèi)某點(diǎn)故障,在系統(tǒng)外部采用555時(shí)基集成電路作為假想的心臟起博器失落脈沖電路,以構(gòu)成強(qiáng)制出錯(cuò)效果,激活動(dòng)態(tài)重構(gòu)的冗余模塊工作.圖6是數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng)的自動(dòng)糾錯(cuò)的工作流程圖.在本系統(tǒng)中,由于實(shí)際的芯片故障很難在現(xiàn)場發(fā)生,故在外部強(qiáng)制出錯(cuò)信號的驅(qū)動(dòng)下,可實(shí)時(shí)觀察FPGA動(dòng)態(tài)重構(gòu)的自動(dòng)糾錯(cuò)功能的實(shí)驗(yàn).只要重復(fù)發(fā)送強(qiáng)制出錯(cuò)信號,則系統(tǒng)備用的功能模塊一一被調(diào)用,以維護(hù)系統(tǒng)的正常輸出,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾錯(cuò)和系統(tǒng)容錯(cuò)功能.采用FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng),特點(diǎn)在于:1)該系統(tǒng)不需要硬件資源的備份,使容錯(cuò)系統(tǒng)的體積、重量大大下降.2)備份模塊功能以PROM程序形式配置于FPGA附屬的PROM之中,使系統(tǒng)備用模塊的數(shù)量大大增加,提高系統(tǒng)可靠性和隨機(jī)故障的容錯(cuò)能力.3)利用FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)方法,配置的具有專用算法的智能控制、檢測、判斷電路,為構(gòu)成自動(dòng)檢錯(cuò)、自動(dòng)糾錯(cuò)、功能自適應(yīng)的數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng)提供新的技術(shù)出路.4系統(tǒng)隨機(jī)故障的容錯(cuò)性能提高基于FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的新一代數(shù)字電路容錯(cuò)系統(tǒng),變革了傳統(tǒng)的容錯(cuò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式,其意義不僅在于使系統(tǒng)硬件資源的開銷大大降低,同時(shí)將使系統(tǒng)隨機(jī)故障