基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)FPGA的容錯(cuò)技術(shù)研究

基于算法和資源兩級(jí)分塊的容錯(cuò)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常的情況下，首先采用相同的配置文件對(duì)電路進(jìn)行重構(gòu)。重構(gòu)后如果異常消除，那么容錯(cuò)過程完成，而且出現(xiàn)的錯(cuò)誤屬于暫態(tài)錯(cuò)誤。在系統(tǒng)工作的過程中，需要周期性地記錄電路的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障然并進(jìn)行重構(gòu)后應(yīng)該將記錄的狀態(tài)進(jìn)行裝載，以保持系統(tǒng)連續(xù)性及電路工作的正確性。如果這樣的重構(gòu)仍然沒有解決問題，那么改變配置文件，利用布局不同的配置文件進(jìn)行部分動(dòng)態(tài)重構(gòu)，用以解決永久性的故障。重構(gòu)前后算法的功能應(yīng)該保持不變，通過不同布局的重構(gòu)使電路可以繞開硬件故障區(qū)，達(dá)到容錯(cuò)的目的。
為解決重構(gòu)前后的通信問題，采取類似總線宏(Bus Macro)的通信結(jié)構(gòu)，保持模塊間重構(gòu)前后通信布線不變。而且每一次重構(gòu)，必須保證4個(gè)方向的通信端口和內(nèi)部模塊連接也不變，重構(gòu)后的電路都接在原有對(duì)外接口上?？偩€宏只能用于相鄰的兩個(gè)模塊間的通信，對(duì)于不相鄰的模塊間的通信，采用稱作可重構(gòu)多路總線(Recongigurable Multiple Bus)的動(dòng)態(tài)開關(guān)信號(hào)的通信結(jié)構(gòu)。以一維結(jié)構(gòu)為例，即現(xiàn)有模塊分布在一條線上。當(dāng)一個(gè)模塊Mk需要和另一個(gè)不與自己相鄰的模塊通信時(shí)，它向與自己相鄰的且與要通信的模塊在相同方向上的模塊Mk+1發(fā)出請(qǐng)求，Mk+1再向Mk+2發(fā)出請(qǐng)求，如是依次下去直到需要通信的模塊Mk+i收到信號(hào)，接著它以相反的路徑返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，當(dāng)Mk收到應(yīng)答信號(hào)后，兩者開始通信。
2．2 方法分析
假設(shè)在第二級(jí)劃分時(shí)將每一個(gè)模塊所占用的資源分成N2等分，稱N為等分?jǐn)?shù)，冗余資源為N-1，每一個(gè)資源單位出錯(cuò)概率為P(N)，則系統(tǒng)正常工作的概率為

由仿真結(jié)果可知，隨著每一個(gè)模塊所占資源等分?jǐn)?shù)的增加，系統(tǒng)容錯(cuò)能力提高，而同時(shí)冗余資源所占的比例卻下降。可以看到，基于算法和資源的兩級(jí)分塊容錯(cuò)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于以往基于模塊的重構(gòu)方法，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的容錯(cuò)粒度，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)率和冗余資源的使用效率，而且在容錯(cuò)的同時(shí)起到了檢錯(cuò)和定位的作用。省去了實(shí)際用于檢錯(cuò)和定位的硬件或軟件開銷，而且系統(tǒng)也不需要在線計(jì)算配置文件等，提高了系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性。
由于重構(gòu)前后模塊對(duì)外功能接口都不變，相當(dāng)于一個(gè)電路黑盒子，節(jié)省了外部布局布線的時(shí)間和計(jì)算時(shí)間，系統(tǒng)容錯(cuò)時(shí)開銷降低。其他的一些冗余方法，例如以CLB為最小單元，每次利用冗余資源繞過故障區(qū)需要復(fù)雜的布局布線，而這樣的布局布線所造成的延遲是難以避免的，只有通過降低芯片工作頻率來保證系統(tǒng)時(shí)序的穩(wěn)定。而現(xiàn)在所采取的結(jié)構(gòu)雖然在布局上進(jìn)行了兩次劃分，但是對(duì)于每一個(gè)模塊的外部仍然是基于功能模塊的容錯(cuò)，每次都是以經(jīng)過測(cè)試的成熟的功能算法為單元的，不存在算法內(nèi)部重新布線后造成延遲的問題，保證了系統(tǒng)的高速運(yùn)行，這也是本方法的主要特點(diǎn)。

采用逐級(jí)劃分的方法可以合理的選擇所需的容錯(cuò)粒度，以及容錯(cuò)能力?？墒请S著級(jí)數(shù)和對(duì)每一個(gè)模塊等分?jǐn)?shù)目的增加，預(yù)編譯的配置文件數(shù)量將增大，這樣系統(tǒng)需要較多的存儲(chǔ)資源來存儲(chǔ)這些文件。如果采用遺傳算法，根據(jù)硬件資源與工作模塊的分級(jí)分塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線計(jì)算，那么這個(gè)問題將得到解決。

3 結(jié)束語(yǔ)
文章對(duì)基于FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)在容錯(cuò)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。針對(duì)重構(gòu)文件的大小，動(dòng)態(tài)容錯(cuò)時(shí)隙的長(zhǎng)短、資源利用率、實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性、模塊間通信方式、冗余資源的比例與布局等方面的問題分析了一些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)突出的問題，提出了一種基于算法和資源多級(jí)分塊的容錯(cuò)方法，可以在不影響系統(tǒng)工作的情況下完成基于動(dòng)態(tài)重構(gòu)的容錯(cuò)。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多項(xiàng)參數(shù)可以選擇，尤其是粒度的可變性。冗余資源比例較低，重構(gòu)時(shí)沒有對(duì)模塊外進(jìn)行布線的要求，不會(huì)因重構(gòu)造成延遲而降低系統(tǒng)的工作頻率。