基于FPGA的TMR方法改進(jìn)策略

基于SRAM的FPGA對于空間粒子輻射非常敏感，很容易產(chǎn)生軟故障，所以對基于FPGA的電子系統采取容錯措施以防止此類(lèi)故障的出現是非常重要的。三模冗余(TMR)方法以其實(shí)現的簡(jiǎn)單性和效果的可靠性而被廣泛用于對單粒子翻轉(SEL7)進(jìn)行容錯處理。但傳統TMR方法存在系統硬件資源消耗較多且功耗較大等問(wèn)題?？偨Y了傳統TMR方法存在的問(wèn)題，分析了一些近年來(lái)出現的改進(jìn)的TMR方法的優(yōu)劣，針對其存在問(wèn)題指出了改進(jìn)策略，并展望了TMR技術(shù)的發(fā)展趨勢。

　　引言

　　軟故障是是由粒子和PN結相互作用引起的一種暫態(tài)故障，軟故障對在基于SRAM的FPGA上實(shí)現的電路具有特別嚴重的影響。由于三模冗余(Triple Modular Redundancy，TMR)技術(shù)簡(jiǎn)單性以及高可靠性，它是一個(gè)被廣泛使用的針對于FPGA上的單粒子翻轉(Single-Event Upset，SEU)的容錯技術(shù)。文獻中表明TMR大幅度提高了FP-GA在SEU影響下的可靠性。盡管TMR能有效提高設計的可靠性，但是由于要實(shí)現額外的模塊與布線(xiàn)，它對硬件資源以及功耗消耗較大，而且工作速度也受到影響。這都限制了傳統TMR的使用。隨著(zhù)電子技術(shù)特別是部分可重構技術(shù)發(fā)展，出現了多種改進(jìn)的TMR技術(shù)，它們都針對性地解決了傳統TMR方法所存在的問(wèn)題，使得TMR技術(shù)得到發(fā)展。本文首先介紹了傳統TMR的原理，接著(zhù)總結了其所存在的問(wèn)題，然后對改進(jìn)的TMR技術(shù)的優(yōu)劣進(jìn)行了全面的分析，最后對TMR技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

　　1 常規TMR方法及存在的問(wèn)題

　　TMR的基本概念是用三個(gè)相同的模塊分別實(shí)現相同的功能，最后在輸出口通過(guò)一個(gè)多數表決器對數據進(jìn)行選擇以實(shí)現容錯的目的。TMR的使用是建立在某一個(gè)時(shí)刻錯誤只出現在一個(gè)模塊里的基礎上，而實(shí)際上，因為在不同的模塊里同時(shí)出錯的概率是比較低的，而且實(shí)現過(guò)程直接、簡(jiǎn)單，所以TMR是現在比較有效且被大量使用的一種容錯的方法。TMR主要被廣泛用于防止由輻射引起的SEU對系統的影響，由于它的使用使FPGA在SEU影響下的可靠性得到很大提高。常規TMR方法的基本結構如圖1所示。

　　盡管TMR可以有效提高設計的可靠性，但是它也存在很多不足之處。主要有以下幾點(diǎn)：

　　(1)它不能對出錯的模塊進(jìn)行修復。當一個(gè)模塊出錯后，我們只是將錯誤通過(guò)多數表決器屏蔽，但是錯誤模塊仍然存在。而且一般的TMR也不能對錯誤進(jìn)行檢測和定位，以便系統進(jìn)行修復。如果出現的錯誤得不到及時(shí)修復，那么當再次出現錯誤時(shí)TMR將失效。

　　(2)很多研究只是考慮到單個(gè)錯誤的影響，而忽略了多個(gè)SEU同時(shí)出現的可能，盡管出現這種情況的概率較低，但卻是存在的。實(shí)驗也表明TMR對減弱單個(gè)SEU產(chǎn)生的影響是非常有效的，但SEU在配置存儲器中積累會(huì )使效果降低。

　　(3)普通TMR資源開(kāi)銷(xiāo)大，資源利用率低。普通TMR是對整個(gè)設計或者較大的模塊進(jìn)行三模冗余，粒度比較大，它的資源開(kāi)銷(xiāo)相比原始電路增大200%。如果受到FPGA硬件資源和功耗等設計約束的限制不能對整個(gè)電路或者模塊實(shí)現TMR，那么會(huì )造成資源浪費。

　　(4)由于電路的倍增使得功耗增大，而且由于表決器的存在以及其他一些額外的布線(xiàn)使得速度降低。

　　(5)表決器本身也可能出錯，而一般的TMR的表決器沒(méi)有自檢錯能力，也不具備抗輻射能力。

　　(6)當采用三模冗余的電路驅動(dòng)沒(méi)有采用冗余的電路時(shí)，需要一個(gè)表決器將三個(gè)信號合為一個(gè)信號。當沒(méi)有采用冗余的電路驅動(dòng)采用三模冗余的電路時(shí)需要通過(guò)額外的布線(xiàn)將一路信號擴展稱(chēng)為三路信號。因為邏輯電路和布線(xiàn)資源都對SEU敏感，所以這樣的結果會(huì )降低系統可靠性。