基于FPGA的三模冗余容錯技術(shù)研究
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2 改進(jìn)的TMR方法
2．1 TMR與Scrubbing結(jié)合
由于TMR本身不具備錯誤模塊修復(fù)能力，若僅一個模塊出現(xiàn)錯誤時，系統(tǒng)功能不受影響，但如果在另一個模塊出現(xiàn)錯誤前不能對已出現(xiàn)的錯誤模塊進(jìn)行修復(fù)，那么冗余方法會失效。所以當(dāng)出現(xiàn)一個錯誤的時候，必須及時地對出錯的模塊進(jìn)行修復(fù)。
隨著動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了Scrubbing這種對FPGA進(jìn)行配置的方法。由于對于空間電子系統(tǒng)來說影響最嚴(yán)重的是SEU等軟故障，而軟故障可以通過重構(gòu)來解決，所以周期性地對配置存儲器進(jìn)行刷新可以實現(xiàn)對這類錯誤的修復(fù)。
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錯誤的影響，而忽略了多個SEU同時出現(xiàn)的可能性。理論上一個快速的刷新率可以保證某一時間內(nèi)只有一個錯誤的存在。然而實際中錯誤的出現(xiàn)是隨機(jī)的，這意味著任何刷新率都不能保證在一個刷新周期內(nèi)最多只出現(xiàn)一個錯誤。在實際中使用這種方法時，必須通過復(fù)雜的實驗過程對SEU出現(xiàn)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數(shù)量級。而現(xiàn)在隨著FPGA的規(guī)模越來越大，用來裝載整個配置位流的時間會達(dá)到幾百毫秒，刷新率更得不到保障，且系統(tǒng)功耗增大。
隨著部分TMR的實現(xiàn)，可以設(shè)計出具有檢錯和定位功能的表決器，當(dāng)某個模塊出錯時，表決器的信號直接觸發(fā)重構(gòu)功能，動態(tài)地只對出錯部分的電路進(jìn)行重構(gòu)。這樣可以解決Scrubbing時間和功耗的問題，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實現(xiàn)而替代基于SRAM的材料，這樣提高了表決器的穩(wěn)健性。文獻(xiàn)也提出了一種改進(jìn)的表決器。它不再使用多數(shù)表決器對三個冗余模塊的輸出進(jìn)行表決，而是將三個冗余模塊相應(yīng)的輸出通過三態(tài)緩沖器和少數(shù)表決器后分別由FPGA的三個輸出管腳輸出，最后在印刷電路板(PCB)上“線或”為一個信號。少數(shù)表決器電路負(fù)責(zé)判斷本冗余模塊的信號是否是少數(shù)
值，如果是少數(shù)值，則相對應(yīng)的緩沖器輸出高阻，如果不是，則使相應(yīng)的信號正常輸出。
Readback是在Scrubbing的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是指將配置數(shù)據(jù)回讀與最初的配置數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)錯誤后進(jìn)行重構(gòu)。文獻(xiàn)中使用了這樣的方法，另外它還采用了糾錯碼來保護(hù)配置數(shù)據(jù)。每一個配置幀的數(shù)據(jù)被12位的see-dec漢明碼保護(hù)，而且FPGA中每個基本單元的識別碼都不一樣，通過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(fù)SEU在LUT、布線矩陣和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(nèi)容，所以它也就不能重置寄存器的狀態(tài)。當(dāng)存儲單元的值發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，此時只能通過系統(tǒng)復(fù)位來得到修復(fù)。然而系統(tǒng)復(fù)位將使系統(tǒng)功能中斷，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。
2．2 小粒度TMR技術(shù)
隨著部分動態(tài)重構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)，產(chǎn)生了小粒度的TMR方法?？梢砸暂^小的粒度為步長，采用合理的布局與布線實現(xiàn)TMR以達(dá)到要求的資源開銷并得到最大的可靠性。文獻(xiàn)中對在出現(xiàn)多個錯誤的情況下不同粒度TMR的容錯性能進(jìn)行了實驗分析，結(jié)果表明小粒度TMR比以整個系統(tǒng)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是一個較好的選擇，可以在使用較少資源的情況下提高系統(tǒng)的可靠性。由于不是對所有的模塊都采用冗余措施，所以在實現(xiàn)的時候必須著重于對那些可以相對更高地提高系統(tǒng)可靠性的模塊應(yīng)用TMR技術(shù)。此時表決器的數(shù)量和位置也是一個需要考慮的問題。由于采用三模冗余的模塊前后需要額外的布線，而邏輯電路和布線資源都對SEU敏感，所以這樣的結(jié)果會降低系統(tǒng)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(zhuǎn)變，這樣可以通過集中使用三模冗余技術(shù)而提高系統(tǒng)可靠性。
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