基于動(dòng)態(tài)可重構FPGA的容錯技術(shù)研究

基于算法和資源兩級分塊的容錯結構，在系統出現異常的情況下，首先采用相同的配置文件對電路進(jìn)行重構。重構后如果異常消除，那么容錯過(guò)程完成，而且出現的錯誤屬于暫態(tài)錯誤。在系統工作的過(guò)程中，需要周期性地記錄電路的狀態(tài)，當出現故障然并進(jìn)行重構后應該將記錄的狀態(tài)進(jìn)行裝載，以保持系統連續性及電路工作的正確性。如果這樣的重構仍然沒(méi)有解決問(wèn)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，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(guò)不同布局的重構使電路可以繞開(kāi)硬件故障區，達到容錯的目的。
為解決重構前后的通信問(wèn)題，采取類(lèi)似總線(xiàn)宏(Bus Macro)的通信結構，保持模塊間重構前后通信布線(xiàn)不變。而且每一次重構，必須保證4個(gè)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€(xiàn)宏只能用于相鄰的兩個(gè)模塊間的通信，對于不相鄰的模塊間的通信，采用稱(chēng)作可重構多路總線(xiàn)(Recongigurable Multiple Bus)的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)信號的通信結構。以一維結構為例，即現有模塊分布在一條線(xiàn)上。當一個(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(zhù)它以相反的路徑返回一個(gè)應答信號，當Mk收到應答信號后，兩者開(kāi)始通信。
2．2 方法分析
假設在第二級劃分時(shí)將每一個(gè)模塊所占用的資源分成N2等分，稱(chēng)N為等分數，冗余資源為N-1，每一個(gè)資源單位出錯概率為P(N)，則系統正常工作的概率為

由仿真結果可知，隨著(zhù)每一個(gè)模塊所占資源等分數的增加，系統容錯能力提高，而同時(shí)冗余資源所占的比例卻下降?？梢钥吹?，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(jìn)一步降低了系統的容錯粒度，提高了系統的容錯率和冗余資源的使用效率，而且在容錯的同時(shí)起到了檢錯和定位的作用。省去了實(shí)際用于檢錯和定位的硬件或軟件開(kāi)銷(xiāo)，而且系統也不需要在線(xiàn)計算配置文件等，提高了系統的連續性和可靠性。
由于重構前后模塊對外功能接口都不變，相當于一個(gè)電路黑盒子，節省了外部布局布線(xiàn)的時(shí)間和計算時(shí)間，系統容錯時(shí)開(kāi)銷(xiāo)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(guò)故障區需要復雜的布局布線(xiàn)，而這樣的布局布線(xiàn)所造成的延遲是難以避免的，只有通過(guò)降低芯片工作頻率來(lái)保證系統時(shí)序的穩定。而現在所采取的結構雖然在布局上進(jìn)行了兩次劃分，但是對于每一個(gè)模塊的外部仍然是基于功能模塊的容錯，每次都是以經(jīng)過(guò)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(xiàn)后造成延遲的問(wèn)題，保證了系統的高速運行，這也是本方法的主要特點(diǎn)。

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(zhù)級數和對每一個(gè)模塊等分數目的增加，預編譯的配置文件數量將增大，這樣系統需要較多的存儲資源來(lái)存儲這些文件。如果采用遺傳算法，根據硬件資源與工作模塊的分級分塊結構進(jìn)行在線(xiàn)計算，那么這個(gè)問(wèn)題將得到解決。

3 結束語(yǔ)
文章對基于FPGA的動(dòng)態(tài)可重構技術(shù)在容錯領(lǐng)域的應用進(jìn)行了研究。針對重構文件的大小，動(dòng)態(tài)容錯時(shí)隙的長(cháng)短、資源利用率、實(shí)現的復雜性、模塊間通信方式、冗余資源的比例與布局等方面的問(wèn)題分析了一些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，針對突出的問(wèn)題，提出了一種基于算法和資源多級分塊的容錯方法，可以在不影響系統工作的情況下完成基于動(dòng)態(tài)重構的容錯。這種方法結構簡(jiǎn)單，多項參數可以選擇，尤其是粒度的可變性。冗余資源比例較低，重構時(shí)沒(méi)有對模塊外進(jìn)行布線(xiàn)的要求，不會(huì )因重構造成延遲而降低系統的工作頻率。