FPGA單芯片四核二乘二取二的安全系統(tǒng)

引 言
二乘二取二系統(tǒng)的兩套計算機系統(tǒng)各有兩個CPU，并且所有結(jié)構(gòu)和配件完全相同。兩套系統(tǒng)之間采取雙機熱備份，大幅提高了系統(tǒng)可靠性，在一些領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。基于二乘二取二容錯結(jié)構(gòu)的計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)在國外已有成熟的應(yīng)用，如K5B和E132，其良好的可靠性和安全性引起國內(nèi)業(yè)界的廣泛關(guān)注。
系統(tǒng)可靠性冗余設(shè)計是提高系統(tǒng)可靠性的重要方法，但由于冗余會增加系統(tǒng)成本、體積和重量，因此必須合理地選擇冗余結(jié)構(gòu)和數(shù)量。對價格昂貴、重量大、體積大的冗余部分，更應(yīng)作合理考慮。由于二乘二取二硬件冗余技術(shù)是通過多個相同部件完成同一功能，在提高系統(tǒng)可靠性的同時也存在一些不足：
◆增加了系統(tǒng)的成本、結(jié)構(gòu)、重量和所需空間；
◆在某些情況下硬件技術(shù)的應(yīng)用受到限制；
◆對大型復(fù)雜系統(tǒng)均采用硬件冗余技術(shù)是不可能的。
以上不足將限制二乘二取二冗余技術(shù)的應(yīng)用，F(xiàn)usion和coreABC的組合為以上問題提供了良好的解決方案。

1 二乘二取二系統(tǒng)
二乘二取二系統(tǒng)有4個CPU，兩個CPU組成一組。每兩個CPU的輸出經(jīng)比較器表決輸出，兩個CPU和一個比較器表決系統(tǒng)組成一個子系統(tǒng)。兩個子系統(tǒng)具有完全相同的硬件結(jié)構(gòu)，一個為主單元，一個作為備用單元。開機后兩個子系統(tǒng)獨立同步工作，系統(tǒng)取工作單元的輸出為系統(tǒng)輸出。當(dāng)兩個子系統(tǒng)均正常工作時，系統(tǒng)取主單元的輸出為系統(tǒng)輸出，若備用單元發(fā)生故障，系統(tǒng)輸出仍為主單元的輸出，備用單元進(jìn)入維修狀態(tài)。當(dāng)主單元發(fā)生故障時，系統(tǒng)切換至備用單元，此時系統(tǒng)輸出為備用單元的輸出，主單元進(jìn)入維修狀態(tài)；一旦主單元維修完畢，可以正常工作時，則系統(tǒng)切換至主單元，取主單元的輸出為系統(tǒng)輸出。若主單元和備用單元均無法正常工作，則系統(tǒng)故障，系統(tǒng)無法繼續(xù)正常工作。除子系統(tǒng)故障時系統(tǒng)自動切換外，系統(tǒng)還具有手動切換的功能。由于兩個子系統(tǒng)具有完全相同的結(jié)構(gòu)和進(jìn)行完全相同的工作，所以手動切換不影響系統(tǒng)的正常工作。導(dǎo)致系統(tǒng)故障的因素有很多，根據(jù)不同的應(yīng)用場合，需要針對不同的故障進(jìn)行檢測和維修。二乘二取二系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的具體實現(xiàn)
在設(shè)計時，首先要考慮FPGA門電路的數(shù)量，以及嵌入4個軟核所要占用的門陣列資源。其次，要考慮其他硬件資源，比如時鐘、存儲器等。綜合各方面的考慮，本設(shè)計選擇Actel的Fusion StartKit數(shù)模混合FPGA實現(xiàn)二乘二取二系統(tǒng)。Fusion StartKit數(shù)模混合FPGA擁有600萬門門陣列，片內(nèi)集成了Flash存儲器、RAM、FIFO和模擬模塊；片外提供48 MHz的晶振；支持coreABC軟核的嵌入。
2．1 軟核的嵌入
coreABC是一種具有高可配置性的軟核，占用資源少，特別適于低端應(yīng)用。它能夠掛載可編程高級外圍總線(APB)，支持APB總線下的外圍設(shè)備，通過coreAI直接控制ACM塊，還可配置8位、16位和32位APB接口?？梢酝ㄟ^APB總線控制coreAI核，進(jìn)行電壓、電流采集，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖2給出一種配置方案。coreABC可使用軟／硬代碼存儲方式，本設(shè)計采用硬代碼存儲方式。硬代碼存儲方式只需占用門陣列資源，而軟代碼存儲方式要占用Flash存儲口資源。由于FPGA片內(nèi)集成了2個Flash存儲口，嵌入4個核時Flash存儲口資源不足。Actel coreABC的推出對實現(xiàn)可配置的小系統(tǒng)極具意義，它使用很少的系統(tǒng)資源就可搭建起完整的控制單元。

2．2 比較電路的實現(xiàn)
二取二CPU的比較電路采用冗余設(shè)計，它主要負(fù)責(zé)對coreABC軟核的總線信號進(jìn)行比較判決，保證系統(tǒng)正常運行，其電路圖如圖3所示。比較電路的工作原理為：片外寄存器分別從兩個CPU獲得總線數(shù)據(jù)信息，經(jīng)異或模塊OE1=A1+A2，OE2=B1+82進(jìn)行判斷，分別控制數(shù)據(jù)鎖存器輸出，并配合時鐘信號控制鎖存器同步輸出；從鎖存器輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)或電路處理后形成比較結(jié)果，即DATA_OUT=D1+D2。若比較結(jié)果確認(rèn)CPU此次運算一致，則系統(tǒng)正常輸出；若比較電路確認(rèn)CPU運算有誤，則重新進(jìn)行運算。