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基于FPGA的三模冗余容錯技術(shù)研究
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時(shí)間：2011-04-07
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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2 改進(jìn)的TMR方法
2．1 TMR與Scrubbing結合
由于TMR本身不具備錯誤模塊修復能力，若僅一個(gè)模塊出現錯誤時(shí)，系統功能不受影響，但如果在另一個(gè)模塊出現錯誤前不能對已出現的錯誤模塊進(jìn)行修復，那么冗余方法會(huì )失效。所以當出現一個(gè)錯誤的時(shí)候，必須及時(shí)地對出錯的模塊進(jìn)行修復。
隨著(zhù)動(dòng)態(tài)可重構技術(shù)的發(fā)展，出現了Scrubbing這種對FPGA進(jìn)行配置的方法。由于對于空間電子系統來(lái)說(shuō)影響最嚴重的是SEU等軟故障，而軟故障可以通過(guò)重構來(lái)解決，所以周期性地對配置存儲器進(jìn)行刷新可以實(shí)現對這類(lèi)錯誤的修復。
Scrubbing和TMR配合使用對防止SEU的產(chǎn)生可以起到很好的效果。但很多研究同樣只考慮到單個(gè)錯誤的影響，而忽略了多個(gè)SEU同時(shí)出現的可能性。理論上一個(gè)快速的刷新率可以保證某一時(shí)間內只有一個(gè)錯誤的存在。然而實(shí)際中錯誤的出現是隨機的，這意味著(zhù)任何刷新率都不能保證在一個(gè)刷新周期內最多只出現一個(gè)錯誤。在實(shí)際中使用這種方法時(shí)，必須通過(guò)復雜的實(shí)驗過(guò)程對SEU出現的概率進(jìn)行估計。選取Scru-bbing的刷新率的經(jīng)驗原則是使刷新率比估算的出錯率高一個(gè)數量級。而現在隨著(zhù)FPGA的規模越來(lái)越大，用來(lái)裝載整個(gè)配置位流的時(shí)間會(huì )達到幾百毫秒，刷新率更得不到保障，且系統功耗增大。
隨著(zhù)部分TMR的實(shí)現，可以設計出具有檢錯和定位功能的表決器，當某個(gè)模塊出錯時(shí)，表決器的信號直接觸發(fā)重構功能，動(dòng)態(tài)地只對出錯部分的電路進(jìn)行重構。這樣可以解決Scrubbing時(shí)間和功耗的問(wèn)題，并為防止錯誤積累提供了解決途徑。
為了防止表決器出錯，表決器可以采用對輻射不敏感的器件來(lái)實(shí)現而替代基于SRAM的材料，這樣提高了表決器的穩健性。文獻也提出了一種改進(jìn)的表決器。它不再使用多數表決器對三個(gè)冗余模塊的輸出進(jìn)行表決，而是將三個(gè)冗余模塊相應的輸出通過(guò)三態(tài)緩沖器和少數表決器后分別由FPGA的三個(gè)輸出管腳輸出，最后在印刷電路板(PCB)上“線(xiàn)或”為一個(gè)信號。少數表決器電路負責判斷本冗余模塊的信號是否是少數
值，如果是少數值，則相對應的緩沖器輸出高阻，如果不是，則使相應的信號正常輸出。
Readback是在Scrubbing的基礎上發(fā)展起來(lái)的。它是指將配置數據回讀與最初的配置數據進(jìn)行比較，發(fā)現錯誤后進(jìn)行重構。文獻中使用了這樣的方法，另外它還采用了糾錯碼來(lái)保護配置數據。每一個(gè)配置幀的數據被12位的see-dec漢明碼保護，而且FPGA中每個(gè)基本單元的識別碼都不一樣，通過(guò)ICAP(InternalConfiguration Access Port)回讀配置文件后，糾錯碼可以給出錯位的位置。
Scrubbing可以在不中斷電路工作的情況下修復SEU在LUT、布線(xiàn)矩陣和CLB中所造成的功能錯誤。但是它不能改變LUT中觸發(fā)器中的內容，所以它也就不能重置寄存器的狀態(tài)。當存儲單元的值發(fā)生了翻轉，此時(shí)只能通過(guò)系統復位來(lái)得到修復。然而系統復位將使系統功能中斷，嚴重影響系統的性能。
2．2 小粒度TMR技術(shù)
隨著(zhù)部分動(dòng)態(tài)重構技術(shù)的出現，產(chǎn)生了小粒度的TMR方法?？梢砸暂^小的粒度為步長(cháng)，采用合理的布局與布線(xiàn)實(shí)現TMR以達到要求的資源開(kāi)銷(xiāo)并得到最大的可靠性。文獻中對在出現多個(gè)錯誤的情況下不同粒度TMR的容錯性能進(jìn)行了實(shí)驗分析，結果表明小粒度TMR比以整個(gè)系統為粒度進(jìn)行TMR的效果好。
在全局TMR不可行的情況下(例如資源有限)，小粒度TMR是一個(gè)較好的選擇，可以在使用較少資源的情況下提高系統的可靠性。由于不是對所有的模塊都采用冗余措施，所以在實(shí)現的時(shí)候必須著(zhù)重于對那些可以相對更高地提高系統可靠性的模塊應用TMR技術(shù)。此時(shí)表決器的數量和位置也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。由于采用三模冗余的模塊前后需要額外的布線(xiàn)，而邏輯電路和布線(xiàn)資源都對SEU敏感，所以這樣的結果會(huì )降低系統可靠性。如圖2所示，圖中陰影部分是對SEU敏感的，由圖可以看出(c)中敏感的部分比(b)中多，這是由于表決器和額外的布線(xiàn)造成的。所以需要限制三模冗余電路和未采用三模冗余的電路的轉變，這樣可以通過(guò)集中使用三模冗余技術(shù)而提高系統可靠性。
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