基于FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的二模冗余MIPS處理器

　　ERR_VERIF 模塊的故障分析方法為比較法。它將執(zhí)行同樣指令且同步運(yùn)行的兩個(gè)子系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)果不一致時(shí)，就表示其中一個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，這時(shí)需要使用BIST模塊去主動(dòng)定位故障位置。而BIST進(jìn)行故障分析的方法與ERR_VERIF模塊使用的方法本質(zhì)上是相同的，但是實(shí)現(xiàn)方式不同。BIST模塊將被測(cè)試模塊產(chǎn)生的輸出與BIST內(nèi)部存儲(chǔ)好的預(yù)期的輸出進(jìn)行比較，來測(cè)試被測(cè)模塊是否出現(xiàn)故障。

　　檢測(cè)出的故障情況有3 種：主子系統(tǒng)故障、備份子系統(tǒng)工作正常;主子系統(tǒng)正常、備份子系統(tǒng)故障;主系統(tǒng)子系統(tǒng)和備份子系統(tǒng)均出錯(cuò)。BIST模塊檢測(cè)出故障情況后，會(huì)將故障情況顯示于故障燈(也就是A、B、C)上。當(dāng)3個(gè)故障燈中有燈亮?xí)r，則表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。燈A、B亮，表示主子系統(tǒng)出現(xiàn)故障;燈A、C亮，表示備份子系統(tǒng)出現(xiàn)故障;燈A、B、C亮，表示兩子系統(tǒng)均出現(xiàn)了故障。在出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)具體情況，對(duì)系統(tǒng)輸出進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)主子系統(tǒng)出現(xiàn)故障而備份子系統(tǒng)未出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)輸出則來自備份子系統(tǒng);當(dāng)備份子系統(tǒng)出現(xiàn)故障而主子系統(tǒng)未出現(xiàn)故障，系統(tǒng)輸出則來自主子系統(tǒng)。當(dāng)兩子系統(tǒng)都出現(xiàn)了問題時(shí)，則需要停機(jī)維護(hù)。當(dāng)其中一個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，需要將無故障的子系統(tǒng)比特流重新下載入FPGA系統(tǒng)中。在下載時(shí)，系統(tǒng)的工作無需停止。

　　3 內(nèi)建自測(cè)試技術(shù)與BIST結(jié)構(gòu)分析

　　內(nèi)建自測(cè)試技術(shù)(Build?in Self Test，BIST)是指在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為了及時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)，而設(shè)計(jì)一部分自測(cè)試電路來測(cè)試電路運(yùn)行是否正常。BIST系統(tǒng)主要組成部分有測(cè)試向量生成、測(cè)試輸入隔離、輸出結(jié)果反饋分析和測(cè)試控制等，如圖2(a)所示。

　　測(cè)試向量生成部分用于產(chǎn)生要輸入到被測(cè)模塊的測(cè)試向量，測(cè)試向量的生成含有兩部分：測(cè)試輸入的生成和測(cè)試結(jié)果的生成。測(cè)試輸入用于作為被測(cè)電路的數(shù)據(jù)輸入，而測(cè)試結(jié)果則用于對(duì)反饋結(jié)果的分析。測(cè)試輸入隔離部分用于將BIST模塊的測(cè)試向量輸入和正常輸入相分離。輸出結(jié)果反饋分析部分用于分析被測(cè)電路中輸出結(jié)果的正確性，并向外輸出電路故障信息。

　　只用一組測(cè)試向量對(duì)電路故障進(jìn)行測(cè)試將不具有可信度，所以在BIST技術(shù)中，通常需要使用多組測(cè)試向量對(duì)被測(cè)電路進(jìn)行測(cè)試，因此在測(cè)試時(shí)需要一定的時(shí)序控制機(jī)制，測(cè)試控制部分用于完成測(cè)試的時(shí)序邏輯的控制。

　　圖 2(b)為系統(tǒng)中的BIST模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。其中“自測(cè)試向量Memory”和“自測(cè)試結(jié)果Memory”的功能相當(dāng)于圖2(a)中測(cè)試向量生成器的功能，“自測(cè)試向量Memory”用于存放測(cè)試輸入向量，“自測(cè)試結(jié)果Memory”用于存放測(cè)試對(duì)比結(jié)果。而“時(shí)序控制FSM”用于對(duì)測(cè)試時(shí)序的控制，包括測(cè)試向量地址生成、測(cè)試結(jié)果地址生成和測(cè)試輸入隔離控制等。“結(jié)果比對(duì)器”用于將MIPS實(shí)時(shí)輸出結(jié)果與“自測(cè)試結(jié)果Memory”單元的輸出結(jié)果進(jìn)行比較。“結(jié)果分析輸出”單元是一個(gè)狀態(tài)機(jī)，將根據(jù)“結(jié)果比對(duì)器”的輸入來進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。圖3為具體的時(shí)序控制狀態(tài)機(jī)。

　　4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

　　二模冗余系統(tǒng)的內(nèi)建自測(cè)試中一共測(cè)試了6條指令。由于在實(shí)驗(yàn)中無法模擬出系統(tǒng)出現(xiàn)隨機(jī)錯(cuò)誤的情況，故測(cè)試時(shí)在電路中設(shè)置了一個(gè)人為出錯(cuò)的控制電路來產(chǎn)生系統(tǒng)故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明當(dāng)二模系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，BIST會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)去檢測(cè)系統(tǒng)故障位置。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過對(duì)出錯(cuò)部分的重新配置，可以使得系統(tǒng)恢復(fù)正常。

　　結(jié)語

　　本文根據(jù)FPGA動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)技術(shù)、二模冗余技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于二模冗余的MIPS處理器系統(tǒng)，系統(tǒng)可以對(duì)系統(tǒng)錯(cuò)誤進(jìn)行自行檢測(cè)和錯(cuò)誤自行定位，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。本系統(tǒng)下一步的工作是進(jìn)一步完善故障自檢測(cè)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)故障的自修復(fù)系統(tǒng)。