基于動態(tài)可重構FPGA的容錯技術研究

基于算法和資源兩級分塊的容錯結構，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電路進行重構。重構后如果異常消除，那么容錯過程完成，而且出現(xiàn)的錯誤屬于暫態(tài)錯誤。在系統(tǒng)工作的過程中，需要周期性地記錄電路的狀態(tài)，當出現(xiàn)故障然并進行重構后應該將記錄的狀態(tài)進行裝載，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行部分動態(tài)重構，用以解決永久性的故障。重構前后算法的功能應該保持不變，通過不同布局的重構使電路可以繞開硬件故障區(qū)，達到容錯的目的。
為解決重構前后的通信問題，采取類似總線宏(Bus Macro)的通信結構，保持模塊間重構前后通信布線不變。而且每一次重構，必須保證4個方向的通信端口和內部模塊連接也不變，重構后的電路都接在原有對外接口上?？偩€宏只能用于相鄰的兩個模塊間的通信，對于不相鄰的模塊間的通信，采用稱作可重構多路總線(Recongigurable Multiple Bus)的動態(tài)開關信號的通信結構。以一維結構為例，即現(xiàn)有模塊分布在一條線上。當一個模塊Mk需要和另一個不與自己相鄰的模塊通信時，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)出請求，Mk+1再向Mk+2發(fā)出請求，如是依次下去直到需要通信的模塊Mk+i收到信號，接著它以相反的路徑返回一個應答信號，當Mk收到應答信號后，兩者開始通信。
2．2 方法分析
假設在第二級劃分時將每一個模塊所占用的資源分成N2等分，稱N為等分數(shù)，冗余資源為N-1，每一個資源單位出錯概率為P(N)，則系統(tǒng)正常工作的概率為

由仿真結果可知，隨著每一個模塊所占資源等分數(shù)的增加，系統(tǒng)容錯能力提高，而同時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分塊容錯結構，相對于以往基于模塊的重構方法，進一步降低了系統(tǒng)的容錯粒度，提高了系統(tǒng)的容錯率和冗余資源的使用效率，而且在容錯的同時起到了檢錯和定位的作用。省去了實際用于檢錯和定位的硬件或軟件開銷，而且系統(tǒng)也不需要在線計算配置文件等，提高了系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性。
由于重構前后模塊對外功能接口都不變，相當于一個電路黑盒子，節(jié)省了外部布局布線的時間和計算時間，系統(tǒng)容錯時開銷降低。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)時序的穩(wěn)定。而現(xiàn)在所采取的結構雖然在布局上進行了兩次劃分，但是對于每一個模塊的外部仍然是基于功能模塊的容錯，每次都是以經過測試的成熟的功能算法為單元的，不存在算法內部重新布線后造成延遲的問題，保證了系統(tǒng)的高速運行，這也是本方法的主要特點。

采用逐級劃分的方法可以合理的選擇所需的容錯粒度，以及容錯能力?？墒请S著級數(shù)和對每一個模塊等分數(shù)目的增加，預編譯的配置文件數(shù)量將增大，這樣系統(tǒng)需要較多的存儲資源來存儲這些文件。如果采用遺傳算法，根據(jù)硬件資源與工作模塊的分級分塊結構進行在線計算，那么這個問題將得到解決。

3 結束語
文章對基于FPGA的動態(tài)可重構技術在容錯領域的應用進行了研究。針對重構文件的大小，動態(tài)容錯時隙的長短、資源利用率、實現(xiàn)的復雜性、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，針對突出的問題，提出了一種基于算法和資源多級分塊的容錯方法，可以在不影響系統(tǒng)工作的情況下完成基于動態(tài)重構的容錯。這種方法結構簡單，多項參數(shù)可以選擇，尤其是粒度的可變性。冗余資源比例較低，重構時沒有對模塊外進行布線的要求，不會因重構造成延遲而降低系統(tǒng)的工作頻率。