CN101826045A - 一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法 - Google Patents

一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法 Download PDF

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Abstract

一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法,它涉及航天航空技术领域，它解决了现有的可重构星载计算机中的FPGA电路在空间辐射影响下产生的不可修复的损伤将直接导致永久性电路故障的问题。本发明所述的在线修复方法包括如下步骤：首先由辐射加固处理器认定发生永久性电路故障的FPGA电路，然后所述辐射加固处理器启用另一个FPGA电路工作，最后由所述辐射加固处理器对所述发生永久性电路故障的FPGA电路进行在线修复。本发明适用于可重构星载计算机。

Description

一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法
技术领域
本发明涉及航天航空技术领域，具体涉及一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法。
背景技术
现代小卫星的集成度越来越高，这要求其星载计算机能够在并行多任务的环境下，具有强大的计算和数据处理能力。普通星载计算机完全依赖处理器进行计算，因而效率低下无法满足小卫星技术发展的需求。而可重构计算机利用处理器和专用电路共同进行计算，具有很强的计算能力。然而由于可重构星载计算机的核心器件FPGA是一种半定制的硬件可编程器件,空间辐射导致的永久性损伤往往伴随着不可修复的电路故障，从而直接导致可重构星载计算机整体的失效。目前在实际工程中主要采用静态冗余的方法来应对这类损伤产生的影响，但是静态冗余技术数倍增加了电子系统的体积、重量、功耗与成本，与微小卫星集成化、低成本化的发展思路相悖；同时由于卫星的在轨工作周期长达数年，错误的积累依然会导致静态冗余系统因冗余资源耗尽而失效。
发明内容
本发明为解决现有的可重构星载计算机中的FPGA电路在空间辐射影响下产生的不可修复的损伤将直接导致永久性电路故障的问题，提供了一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法。
本发明的一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法，所述可重构星载计算机包括辐射加固处理器、第三Flash存储器、第三SRAM存储器、第一FPGA电路、第一Flash存储器、第一SRAM存储器、第二FPGA电路、第二Flash存储器、第二SRAM存储器和选择电路，所述修复方法包括如下步骤：
步骤一：由辐射加固处理器认定发生永久性电路故障的FPGA电路；
步骤二：所述辐射加固处理器启用另一个FPGA电路工作；
步骤三：所述辐射加固处理器定义发生永久性电路故障的FPGA电路中发生永久性故障的电路在辐射损伤发生前的功能为f(b,i)，且在辐射损伤发生后的功能为f’(b,i)，且用整数i表示所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的输入信号，其中，b为存储在第三Flash存储器中的用于配置所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的原始配置文件，所述第三Flash存储器中存储有配置所述FPGA电路中各功能电路的原始配置文件；
步骤四：所述辐射加固处理器获取所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的新配置文件b’，使得在所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的任意输入信号下，所述FPGA电路中发生永久性故障的电路均存在
Figure 278588DEST_PATH_IMAGE001
，将所述新配置文件b’替代原始配置文件b，与所述FPGA电路中的其他原始配置文件整合并上传至所述FPGA电路，完成可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复。
本发明的有益效果：本发明提供了一种能够对可重构星载计算机中发生的永久性故障电路进行在线修复的方法；本方法通过对原来不可修复的FPGA电路的永久性故障进行修复，弥补了半定制的FPGA器件抗辐射能力的不足，避免了原来的FPGA电路在出现永久性辐射损伤后将直接导致可重构星载计算机的整体失效，提高了可重构星载计算机在空间辐射环境下的生存能力，使其可以满足长期在轨的任务需求；本发放在认定可重构星载计算机永久性电路故障后，启用另一个正常的FPGA电路再针对永久性故障电路进行在线修复，使得发生了永久性电路故障的可重构星载计算机在进行在线修复过程中仍然能够继续工作。
附图说明
图1是现有的可重构星载计算机的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法，所述可重构星载计算机包括辐射加固处理器1、第三Flash存储器2、第三SRAM存储器3、第一FPGA电路4、第一Flash存储器5、第一SRAM存储器6、第二FPGA电路7、第二Flash存储器8、第二SRAM存储器9和选择电路10，所述在线修复方法包括如下步骤：
步骤一：由辐射加固处理器1认定发生永久性电路故障的FPGA电路；
步骤二：所述辐射加固处理器1启用另一个FPGA电路工作；
步骤三：所述辐射加固处理器1定义发生永久性电路故障的FPGA电路中发生永久性故障的电路在辐射损伤发生前的功能为f(b,i)，且在辐射损伤发生后的功能为f’(b,i)，且用整数i表示所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的输入信号，其中，b为存储在第三Flash存储器2中的用于配置所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的原始配置文件，所述第三Flash存储器2中存储有配置所述FPGA电路中各功能电路的原始配置文件；
步骤四：所述辐射加固处理器1获取所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的新配置文件b’，使得在所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的任意输入信号下，所述FPGA电路中发生永久性故障的电路均存在
Figure 194460DEST_PATH_IMAGE001
，将所述新配置文件b’替代原始配置文件b，与所述FPGA电路中的其他原始配置文件整合并上传至所述FPGA电路，完成可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复。
具体实施方式二：本具体实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，具体实施方式一中步骤一中由所述辐射加固处理器1认定发生永久性电路故障的FPGA电路的方法为：
步骤一一：所述辐射加固处理器1对一个FPGA电路进行回读，并将对所述FPGA电路回读获得的配置信息与标准配置信息进行比较，以获取所述FPGA电路的辐射损伤的位置与类型，所述标准配置信息为存储在第三Flash存储器2中的用于配置两个FPGA电路的原始配置文件信息，然后执行步骤一二；
步骤一二：所述辐射加固处理器1对所述FPGA电路进行配置，以写入上述标准配置信息，然后执行步骤一三；
步骤一三：重复执行步骤一一和步骤一二多次，当多次获取的所述FPGA电路的辐射损伤的位置与类型均相同，则认定所述FPGA电路是发生了永久性电路故障的FPGA电路。
具体实施方式三：本具体实施方式是对具体实施方式一或二的进一步说明，具体实施方式一或二中在步骤四中，所述辐射加固处理器1获取新配置文件b’的方法是：所述辐射加固处理器1按照可满足性问题求解新配置文件b’，使
Figure 466085DEST_PATH_IMAGE002
⊙
Figure 151013DEST_PATH_IMAGE003
∧
Figure 47294DEST_PATH_IMAGE004
⊙
Figure 184883DEST_PATH_IMAGE005
∧
Figure 254339DEST_PATH_IMAGE006
⊙，其中M=1，n为所述FPGA电路的输入信号的位宽。
本实施方式将FPGA电路永久性辐射损伤所导致的故障电路的修复问题等价为可满足性问题来求解，实现了对所述故障电路的修复。
本实施方式中所述的修复方法的理论基础：因为在FPGA电路中电路的功能由配置文件和电路输入信号共同决定，对于特修复的电路而言，在损伤发生前的电路功能f是已知的，当损伤发生后，根据损伤的类型与位置可以确定待修复的电路在损伤发生后的功能f’，由于辐射损伤的影响f’与f不完全相同，所以对于同样的配置文件b和电路输入i而言，f’的输出与f的输出也不完全相同。因此如果存在一组新配置文件b’，使得对于任意输入而言满足f(b,i)=f’(b’,i)，则可认为b’在损伤后的FPGA电路中完全复现了损伤发生前的电路的功能，即永久性的电路故障得到了修复。根据上述思想建立如下等式，
Figure 730462DEST_PATH_IMAGE002
⊙
Figure 230714DEST_PATH_IMAGE003
∧
Figure 713648DEST_PATH_IMAGE004
⊙
Figure 310851DEST_PATH_IMAGE005
∧⊙
Figure 474165DEST_PATH_IMAGE007
，当且仅当b’在损伤后的FPGA电路中完全复现了损伤发生前的电路的功能时，有M=1成立，否则M=0。因此FPGA电路永久性电路故障的修复问题被转换成为可满足性问题，并等效为对满足M=1的b’的求解。同时在上式中，仅有b’为未知量，因此求解是完全可行的。
求解b’所用到的算法结构如下：
1．将b作为搜索起点(当前解)
2．while(不满足子句数等于0)dobegin
3．if(step>阈值)begin
4． 随机产生配置文件并作为当前解
5． step置1
6． endelsebegin
7．依次翻转配置文件所有变元(排除损伤点)，将具有最小子句不满
足数的变元存入解序列
8． if(解序列对应的子句满足数增加)
9． 温度归0
10   else   升温
11.  if(解序列中解的子句满足数=2n)
12   求解成功并输出解
13.  elsebegin
14   产生一个随机数
15.  if(随机数<当前温度)
16   随机翻转一个配置文件变元作为新的当前解
17.  else在解序列中随机选择一个解作为当前解end
18.  end
19   totalstep加1
20   if(totalstep>失败阈值)
21.  求解失败
22. end
在所述求解b’的过程汇总，为了提高求解成功率避免陷入局部最优解，在算法中引入了动态的升温和退火机制，即如果不满足子句数减少，则说明当前求得的b’在f’上对应的功能与损伤前电路的功能吻合度提高，同时也意味着算法可能正沿着正确的路径进行搜索，因此将算法中的“温度”降为0保证算法继续沿着该路径进行尝试；当不满足子句数不为0且不再减少时，说明算法可能陷入了局部最优陷阱，因此采用随机翻转当前解中变元的方法进行随机迈步，强制改变搜索路径，但随机迈步在绝大多数时候伴随着不满足子句数的急剧增加，所以频繁的随机迈步往往会导致算法无法收敛。因此在规定当陷入局部最优陷阱时，算法的“温度”逐步上升，然后算法根据当前的“温度”来进行搜索路径的决策，具体做法是首先产生一个随机数，如果随机数值高于当前温度值，求解器将继续沿着当前路径进行搜索；而当随机数值低于温度值时，进行随机迈步从而选择新的搜索路径。逐步升温的策略，避免了频繁的随机迈步；同时保证了算法不会长时间陷入局部最优的求解困境，从而加快收敛至最终的全局最优解的速度。
本实施方式中，在成功求得b’后，将其与FPGA电路中整体的配置文件整合，并重新下载到FPGA电路中，从而实现对可重构星载计算机永久性电路故障的修复。
本实施方式中，第一FPGA电路4和第二FPGA电路7是可重构星载计算机功能的主体部分，其中包含了相同的处理器单元和硬件电路模块(如定时器、浮点计算单元、超越函数计算单元等)。两个FPGA电路之间互为冗余且交替工作，即当其中一个发生了永久性电路故障后，由辐射加固处理器1对其进行修复，并在修复期间启用另一个FPGA电路从而保障计算机整体功能的连续性。
第一Flash存储器5与第一FPGA电路4中的处理器电路相连，第二Flash存储器8与第二FPGA电路7中的处理器电路相连，所述两个Flash存储器中存储了软件程序代码。
第一SRAM存储器6与第一FPGA电路4中的处理器电路相连，第二SRAM存储器9与第二FPGA电路7中的处理器电路相连，所述两个SRAM存储器作为处理器程序执行的空间。
辐射加固处理器1同时与第一FPGA电路4的配置端口和第二FPGA电路7的配置端口相连，通过每个FPGA电路的配置端口，辐射加固处理器1可以对每个FPGA电路中的配置信息进行回读和配置操作，其中回读是指从每个FPGA电路中读出配置信息，辐射加固处理器1通过将回读得到的配置信息与标准配置信息相比较，可以确定辐射损伤的位置与类型；配置是指由辐射加固处理器1通过配置端口，往每个FPGA电路中写入配置信息。如果在对一个FPGA电路进行多次配置操作后，通过回读操作发现辐射损伤的位置与类型均相同，即可认定该FPGA电路发生了永久性的辐射损伤，从而其内部必然发生了永久性的电路故障，则辐射加固处理器1启用备份的FPGA电路，并完成配置，然后开始对发生了辐射损伤的FPGA电路的故障进行修复。
第三Flash存储器2与辐射加固处理器1相连，所述第三Flash存储器中存储了辐射加固处理器1所需的程序代码、第一FPGA电路4的配置文件和第二FPGA电路7的配置文件，其中在第三Flash存储器2中存储的第一FPGA电路4的配置文件为三份，在所述第三Flash存储器2中还存储有第二FPGA电路7的三份配置文件，辐射加固处理器1在读取配置文件时将读取三次并对其进行三选二处理，并将处理结果进行汉明码解码，然后才将其作为参照的标准。这样的处理使得第三Flash存储器2中的配置文件具有冗余编码和三模冗余两级容错保护，具有很高的长期可靠性，从而保证所读取的配置文件正确性，同时将该配置文件用于配置FPGA电路，所述配置文件还作为与回读得到配置文件进行对比的标准。
每个FPGA电路中的处理器的输出端通过选择电路10与外部的CAN总线相连，所述选择电路10由辐射加固处理器1输出的选择信号控制，所述辐射加固处理器1通过所述选择信号决定由第一FPGA电路4还是第二FPGA电路7输出信号，从而决定哪一个FPGA电路在当前处于工作状态。 

Claims (3)

1.一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法，所述可重构星载计算机包括辐射加固处理器(1)、第三Flash存储器(2)、第三SRAM存储器(3)、第一FPGA电路(4)、第一Flash存储器(5)、第一SRAM存储器(6)、第二FPGA电路(7)、第二Flash存储器(8)、第二SRAM存储器(9)和选择电路(10)，其特征在于所述在线修复方法包括如下步骤：
步骤一：由辐射加固处理器(1)认定发生永久性电路故障的FPGA电路；
步骤二：所述辐射加固处理器(1)启用另一个FPGA电路工作；
步骤三：所述辐射加固处理器(1)定义发生永久性电路故障的FPGA电路中发生永久性故障的电路在辐射损伤发生前的功能为f(b,i)，且在辐射损伤发生后的功能为f’(b,i)，且用整数i表示所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的输入信号，其中，b为存储在第三Flash存储器(2)中的用于配置所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的原始配置文件，所述第三Flash存储器(2)中存储有配置所述FPGA电路中各功能电路的原始配置文件；
步骤四：所述辐射加固处理器(1)获取所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的新配置文件b’，使得在所述FPGA电路中发生永久性故障的电路的任意输入信号下，所述FPGA电路中发生永久性故障的电路均存在，将所述新配置文件b’替代原始配置文件b，与所述FPGA电路中的其他原始配置文件整合并上传至所述FPGA电路，完成可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复。
2.根据权利要求1所述的一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法，其特征在于步骤一中由所述辐射加固处理器(1)认定发生永久性电路故障的FPGA电路的方法为：
步骤一一：所述辐射加固处理器(1)对一个FPGA电路进行回读，并将对所述FPGA电路回读获得的配置信息与标准配置信息进行比较，以获取所述FPGA电路的辐射损伤的位置与类型，所述标准配置信息为存储在第三Flash存储器(2)中的用于配置两个FPGA电路的原始配置文件信息，然后执行步骤一二；
步骤一二：所述辐射加固处理器(1)对所述FPGA电路进行配置，以写入上述标准配置信息，然后执行步骤一三；
步骤一三：重复执行步骤一一和步骤一二多次，当多次获取的所述FPGA电路的辐射损伤的位置与类型均相同，则认定所述FPGA电路是发生了永久性电路故障的FPGA电路。
3.根据权利要求1或2所述的一种可重构星载计算机永久性故障电路的在线修复方法，其特征在于在步骤四中，所述辐射加固处理器(1)获取新配置文件b’的方法是：所述辐射加固处理器(1)按照可满足性问题求解新配置文件b’，使
Figure 103258DEST_PATH_IMAGE002
⊙
Figure DEST_PATH_IMAGE003
∧
Figure 295248DEST_PATH_IMAGE004
⊙
Figure DEST_PATH_IMAGE005
∧
Figure 704233DEST_PATH_IMAGE006
⊙，其中M=1，n为所述FPGA电路的输入信号的位宽。
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