可重构硬件容错技术研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文第一章绪论1.1课题目的与研究意义随着半导体工艺的不断发展，电子系统正朝着结构复杂化、高度集成化的片上系统(system-on-chip,SOC)方向发展，随着集成度的不断提高，电子系统在生命周期内故障发生的可能性也越来越大。同时由于数字系统应用的日益广泛，系统经常需要面临严酷的工作环境，电子系统的失效率增加，特别是应用于航空航天领域的电子系统，其工作环境恶劣同时又承担着非常关键的任务，由于可靠性问题导致卫星和空间飞行器失效的例子屡见不鲜，因此在电子系统中可靠性所处的地位愈来愈突出。为此

2、人们引入容错技术提高系统的可靠性，但随着数字电路系统功能的复杂，电子系统在高可靠性、强容错能力的要求之外，同时还要求体积小、重量轻、功耗低，而传统的电子系统冗余备份的容错设计方法是基于元器件、板级、系统级备份的，其容错能力有限，且结构复杂、体积较大、容错算法复杂、系统集成困难、成本较高与维护性差，越来越不能满足日益庞大的数字系统要求。因此，有必要研究能够对故障进行动态自检测、自修复的超大规模集成电路和新的容错设计方法。随着超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegration，VLSI）技术的发展，可

3、重构硬件和可重构计算技术的出现与发展为电子系统的容错设计提供了更为灵活的方法，由于可重构硬件的一个重要的优点在于硬件资源可随计算而变动，因此与传统的容错技术不同，可重构硬件的可靠性表现在它能够通过可重构计算实现故障的动态自检测，并通过硬件重构来修复故障或者消除故障所带来的影响。综上所述，基于可重构硬件的容错方法研究对于电子系统的容错设计提供了更好的解决方法，为电子系统的容错设计提供了全新的思路。目前，可重构硬件容错技术研究已经成为了数字系统容错设计和可重构硬件研究的热点之一。1.2研究内容及主要工作本文的主要工作是

4、围绕可重构硬件的容错技术研究展开的，本文做了以下的一些独创性工作：（1）目前，基于重新布局布线方法的可重构硬件容错技术大都需要复杂的外部计算，并且需要很长的重布线时间。针对这一问题，首先设计了用于可重构单元阵列容错重布线的硬件辅助布线电路。辅助布线电路由分布在可重构单元内部的辅助布线模块相互连接构成，每个单元的布线模块可以直接读取并修改本单元的可编程开关配置数据。可重构单元阵列的容错采用渐进式重新布局布线方法，故障出现后，故障逻辑单元的功能重新布局在空闲可用的单元，辅1可重构硬件容错技术研究助布线电路代替外部软件执

5、行故障线网的取消和线网的重布线过程；（2）本文设计了一种具有自主容错能力的自重构单元阵列结构，阵列中的可编程单元在逻辑层次上可分为：功能层、配置层和布线层，自重构单元阵列借助自主重构可以实现电子系统的故障自修复。可编程单元的故障自诊断机制检测到故障后，配置层和布线层电路将故障单元的功能重新布局在距离最近的空闲可用单元，接着布线层电路取消受故障影响的线网布线，并将代替故障单元工作的空闲单元作为布线端点重新布线，故障自修复过程不需要外部软件或硬件干预，完全由自重构单元阵列自动完成。1.1本文结构本文的内容主要有以下几个

6、章节：第一章绪论。主要提出了课题的研究目的、意义以及本文所做的主要工作。第二章可重构硬件容错技术概述。以现场可编程门阵列（Field-programmablegatearray,FPGA）和仿生型硬件（Bio-inspiredHardware）为代表分析了相关的容错方法与研究现状，总结了目前研究存在的问题与不足。第三章可重构单元阵列的硬件辅助布线电路设计。首先，给出了硬件辅助布线电路的详细设计方案；接着，将硬件辅助布线电路应用于可重构硬件的容错重布线阶段，并给出了具体的执行过程；最后，以多种布线问题为例，证明了硬件

7、辅助布线电路对于多种布线问题都有较好的布线性能，并以4位并行乘法器为例，证明了硬件辅助布线电路可以有效地加速可重构单元阵列的容错重布线过程。第四章具有自主容错特性的自重构单元阵列设计。首先，介绍了具有自主容错特性的自重构单元阵列的总体结构，并给出了每个可编程单元的详细结构设计；接着，介绍了自重构单元阵列的故障自诊断以及自修复机制；最后，通过组合逻辑电路和时序逻辑电路的设计，验证了具有自主容错特性的自重构单元阵列的基本功能和故障自修复能力，并通过可靠性的分析与对比，证明了自重构单元阵列较仿生型胚胎电子阵列具有更高的可

8、靠性和冗余资源利用率。第五章总结与展望。对本人的研究成果进行了系统总结和概括，针对目前工作的不足就进一步研究提出了建议。2南京航空航天大学硕士学位论文第二章可重构硬件容错技术概述1.1容错技术概述2.1.1故障分类与故障模型通常，当一个设计正确的元件、电路或系统表现出与设计规定的功能不一致时，人们便说该元件、电路或系统存在故障[3]。故障有多种分类方法[4]