CN102799734A - 一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，包括故障检测部分、空间搜索部分、异构容错电路数据库部分、可重构修复电路部分。基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统涉及FPGA的可靠性设计领域，主要解决集成电路的在线故障自修复问题，系统在检测到故障单元后，向控制器发送故障定位信号，空间搜索部分将在已建立好的异构等效电路数据库中搜索，绕开故障单元的等效电路，然后发送给可重构修复电路部分，将搜索到的异构等效电路映射成为功能电路以完成故障电路的自修复过程。本发明能够实现动态的容错过程，且适用于多种航天器的容错以及国防工业等使用FPGA的集成电路的容错系统中。

Description

一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统

技术领域

本发明涉及集成电路容错系统设计领域，具体涉及一种基于FPGA的异构容错电路设计系统。

技术背景

随着大规模集成电路在各个领域中的广泛使用，FPGA(现场可编程门阵列)器件已经越来越多地被应用到航天、军工领域当中，成为信号处理和控制的关键部件。但是由于受到太空高能粒子辐射以及其他恶略环境的影响，星载电子器件的可靠性问题已经逐渐凸显且亟待解决和优化，如何解决这一问题已成为各国空间科技团队竞相关注和研究的一个方向。

目前，国内外对于集成电路容错系统的研究十分活跃。典型的容错设计系统有硬件冗余容错技术和检错纠错码容错技术，前者主要是使用三模冗余技术，对受保护电路进行硬件冗余加固，以达到掩蔽故障的目的，但其缺点是，使用冗余加固大大增加了系统资源的占用量，甚至会造成很大的片上资源浪费；后者一般是使用汉明码或是R-S码进行存储器数据的检测，其缺点是使用范围有限，仅能用于对存储器数据的保护，且纠错位数也有限，因此不能进行大规模的容错设计使用。

随着可重构技术的发展，又出现了基于局部动态可重构技术的故障修复技术，对受保护电路的功能模块进行局部可重构设计，在受保护电路出现故障后，只需要通过加载局部比特流文件就可以完成故障部分的修复，虽然局部动态可重构技术在资源占用率以及修复的可靠性上都已较之硬件冗余和检错纠错码技术有了很大的改善，但是此技术只能进行粗粒度的故障修复，即受保护电路的基本单元发生故障后，都要对整个受保护电路模块做重新配置，这样也存在很大的片上冗余，形成较大的资源浪费。胚胎电子容错技术又是一种新的动态自修复容错方法，其通过将一个受保护电路划分成若干个工作细胞和空闲细胞，当有某个工作细胞发生故障时用周围的空闲细胞对其进行替换，使电路能继续正常工作，此容错技术具有自检测、自修复的功能，而且属于细粒度的容错机制，但是其实现过程复杂，自修复的周期较长，这在一定程度上影响了其在工业及航天科技领域的应用。

因此设计一套具有较高可靠性且又对系统片上资源占用率不高的容错系统具有较强的实用性，而基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统采用将异构等效电路转化成相应的矩阵模型的方式，在检测到电路故障后，只需搜索到不含故障单元的异构等效电路即可，然后对功能电路再进行重配置，这样即节省了大量的片上资源，又能实时的进行故障电路的动态自修复。

发明内容

为了解决大规模集成电路及FPGA设计系统的可靠性问题，以及出现在一般容错系统中的片上资源占用率过高、容错可靠性偏低等情况，本发明提供了一种异构容错电路设计系统，该系统通过空间搜索技术和建立异构等效电路数据库的方式建立一个故障自检测和故障修复模型，再使用动态重构技术进行故障单元的在线自修复，以达到系统容错的目的。

本发明的技术方案是：一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，它包括故障检测部分、空间搜索部分、异构电路数据库部分和可重构修复电路部分。所述故障检测部分包括故障检测模块、故障定位模块和故障信息存储器，故障检测部分与功能电路直接相连，用于实时检测功能电路是否出现故障，故障检测模块的信号输入端连接于功能电路，故障检测模块的信号输出端连接故障定位模块，故障定位模块的信号输出端连接故障信息存储器，且同时故障定位模块的搜索启动输出信号连接异构等效电路搜索模块，故障信息存储器的数据输出端口连接异构等效电路搜索模块；所述空间搜索部分包括异构等效电路搜索模块和数据库数据读出控制器，异构等效电路搜索模块的搜索信号输出端口连接异构等效电路数据库，且同时异构等效电路搜索模块的搜索结果输出信号端口连接数据库数据读出控制器，数据库数据读出控制器的数据控制输出信号端口连接异构等效电路数据库；所述异构电路数据库部分包括异构等效电路数据库和搜索结果存储器，异构等效电路数据库的数据输出端口连接搜索结果存储器的数据输入端口，搜索结果存储器的信号输出端口连接异构等效电路映射模块；所述可重构修复电路部分包括配置控制器和异构等效电路映射模块，配置控制器的读出搜索结果数据启动信号端口连接搜索结果存储器，且同时配置控制器的重配置启动信号端口连接异构等效电路映射模块。

故障检测模块包括控制处理器、锁存器、受控对象和数据比较器，故障检测模块主要负责对受保护电路进行实时的故障检测，若检测到受保护电路有故障发生，则向故障定位模块发送故障信号；

故障定位模块包括控制器、故障搜索模块、故障单元标识模块和故障坐标信息缓存器，故障定位模块主要负责在接收到故障检测模块发出的故障信号后便进行故障单元的精确定位；

故障信息存储器主要负责存储经故障定位后的故障单元的精确位置信息；

异构等效电路搜索模块为软件实现部分，其主要功能为在接收到故障检测和故障定位信息后，异构等效电路搜索模块便对异构等效电路数据库中的异构等效电路矩阵进行逐级遍历搜索，搜索到只需绕开故障单元的等效电路矩阵；

数据库数据读出控制器主要负责接收异构等效电路搜索模块传递的异构容错电路矩阵搜索完毕信号，且同时控制异构等效电路数据库将已经搜索到的异构等效电路矩阵传送给搜索结果存储器；

异构等效电路数据库属于软件设计部分，其主要功能为将受保护电路的最小单元组成结构，进行多个异构等效电路的设计，此异构等效电路数据库包含了所有可以绕开每一个最小单元故障的异构等效电路，将每一个异构等效电路转化成一个含有其最小单元的矩阵，最终将所有的异构等效电路转化成矩阵的形式存放于异构等效电路数据库中；

搜索结果存储器主要负责将异构等效电路数据库中搜索到的异构等效电路矩阵数据存储起来，且同时等待配置控制器发送数据输出信号，将存储于搜索结果存储器中的异构等效电路矩阵数据传送到异构等效电路映射模块；

配置控制器主要负责控制将存放于搜索结果存储器中的异构等效电路矩阵传送至异构等效电路映射模块，且同时控制异构等效电路映射模块对故障电路进行重配置，以恢复电路正常功能；

异构等效电路映射模块包括异构等效电路矩阵转换器、配置存储控制器、配置存储器、配置控制器、配置接口模块，异构等效电路映射模块主要负责将从搜索结果存储器中传入的异构等效电路矩阵转化成与之相对应的配置文件编码，再调出相应的配置文件，进行故障电路的重配置，以恢复故障电路。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统的总体结构图。

图2为本发明提供的故障检测模块的内部结构设计图。

图3为本发明提供的故障检测流程图。

图4为本发明提供的故障定位模块的内部结构设计图。

图5为本发明提供的空间搜索模块的软件实现流程图。

图6为本发明提供的异构等效电路映射模块的内部结构设计图。

具体实施方式

请参阅图1，一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，它包括故障检测部分(1)、空间搜索部分(2)、异构电路数据库部分(3)、可重构修复电路部分(4)；所述故障检测部分(1)包括故障检测模块(1-1)、故障定位模块(1-2)和故障信息存储器(1-3)；所述空间搜索部分(2)包括异构等效电路搜索模块(2-1)和数据库数据读出控制器(2-2)；所述异构电路数据库部分(3)包括异构等效电路数据库(3-1)和搜索结果存储器(3-2)；所述可重构修复电路部分(4)包括配置控制器(4-1)和异构等效电路映射模块(4-2)。

所述的故障检测模块(1-1)的信号输入端连接于功能电路，故障检测模块(1-1)的信号输出端连接故障定位模块(1-2)，所述的故障定位模块(1-2)的信号输出端连接故障信息存储器(1-3)，且同时故障定位模块(1-2)的搜索启动输出信号连接异构等效电路搜索模块(2-1)，故障信息存储器(1-3)的数据输出端口连接异构等效电路搜索模块(2-1)；异构等效电路搜索模块(2-1)的搜索信号输出端口连接异构等效电路数据库(3-1)，且同时异构等效电路搜索模块(2-1)的搜索结果输出信号端口连接数据库数据读出控制器(2-2)，数据库数据读出控制器(2-2)的数据控制输出信号端口连接异构等效电路数据库(3-1)；异构等效电路数据库(3-1)的数据输出端口连接搜索结果存储器(3-2)的数据输入端口，搜索结果存储器(3-2)的信号输出端口连接异构等效电路映射模块(4-2)；配置控制器(4-1)的读出搜索结果数据启动信号端口连接搜索结果存储器(3-2)，且同时配置控制器(4-1)的重配置启动信号端口连接异构等效电路映射模块(4-2)。

故障检测模块负责对受保护电路进行实时的故障检测，当检测到故障后向故障定位模块发送故障信号，请参阅图2，故障检测模块的故障检测实现方式是，由控制处理器(1-11)向受控对象(1-13)发送一组数据逻辑(一组0、1组合)，锁存器(1-12)负责存储控制处理器发送的每组数字逻辑，再将受控对象接收到的数字逻辑送回至控制处理器与发送值在数据比较器(1-14)中进行比较，若比较结果一致，则无故障发生，若不一致则有故障发生。故障检测的具体实现流程，请参阅图3，当启动故障检测后，控制器向受控电路发送逻辑数字，当受控电路收到控制器发送后的数字逻辑后，通过了整个电路后，受控电路再将这个数字逻辑送回至控制处理器，由控制处理器将发送出去的数字逻辑和接收到的数字逻辑送至数据比较器进行数据比较，再判定比较的数据是否一致，若一致则无故障，控制处理器再发送一组新的数组逻辑，进行再一次的故障检测；若不一致则有故障发生，则启动故障定位模块。

故障定位模块主要负责在接收到故障检测模块发出的故障信号后便进行故障单元的精确定位，请参阅图4，在控制器(1-21)接收到来自故障检测模块发送的故障信号后，控制器便向故障搜索模块(1-22)发送启动故障搜索信号，当故障搜索模块对故障电路的故障单元进行精确定位后，通过故障单元标识模块(1-23)对搜索到的故障单元进行错误位标识，然后再将故障单元错误位信息转化成坐标形式存储于故障坐标信息缓存器(1-24)中。

故障信息存储器主要负责存储经故障坐标信息缓存器传出的故障单元的精确坐标位置信息。

异构等效电路搜索模块属于软件设计部分，其主要功能是在接收到故障检测和故障定位信息后，异构等效电路搜索模块便对异构等效电路数据库中的异构等效电路矩阵进行逐级遍历搜索，搜索到只需绕开故障单元的等效电路即可，请参阅图5，异构等效电路搜索模块的具体实施过程为在接收到故障检测和故障定位信息后，异构等效电路搜索模块启动异构等效电路矩阵搜索，首先对故障定位坐标信息进行读入，再将读入的故障单元信息转换为含有故障单元信息的数据组，然后将嵌入含有故障单元信息的数据组传给搜索器，搜索器启动搜索，再判断被搜索到的电路矩阵中是否含有故障单元，若有则继续搜索直至搜索到不含故障单元的异构电路矩阵，若无则完成搜索，说明搜索器已搜索到合适的异构等效电路矩阵，整个搜索过程结束。

数据库数据读出控制器负责接收异构等效电路搜索模块传递的异构容错电路矩阵搜索完毕信号，且同时控制异构等效电路数据库将已经搜索到的异构等效电路矩阵传送给搜索结果存储器。

异构等效电路数据库属于软件设计部分，使用数据库的创建方式将受保护电路的最小单元组成结构，进行多个异构等效电路的设计，此异构等效电路数据库在建成之后将包含所有可以绕开每一个最小单元故障的异构等效电路，将每一个异构等效电路转化成一个含有其最小单元的矩阵，最终将所有的异构等效电路转化成矩阵的形式存放于异构等效电路数据库中。

在异构等效电路矩阵搜索完毕后，搜索结果存储器负责将异构等效电路数据库中搜索到的异构等效电路矩阵数据存储起来，且同时等待配置控制器发送数据输出信号，将存储于搜索结果存储器中的异构等效电路矩阵数据传送到异构等效电路映射模块。

当搜索结果存储器将异构等效电路数据库中搜索到的异构等效电路矩阵数据存储之后，配置控制器将接收到配置启动指令，并负责控制将存放于搜索结果存储器中的异构等效电路矩阵传送至异构等效电路映射模块，且同时控制异构等效电路映射模块对故障电路进行重配置。

异构等效电路映射模块主要负责将从搜索结果存储器中传入的异构等效电路矩阵转化成与之相对应的配置文件编码，再调出相应的配置文件，进行故障电路的重配置，以恢复故障电路。请参阅图6，在配置存储控制器(4-22)接收到配置启动信号后，配置存储控制器将控制异构等效电路矩阵转化器(4-21)将读入的异构等效电路矩阵转化为与之相对应的配置文件编码，再从配置存储器(4-23)中调出相应的配置文件，然后配置控制器(4-24)控制配置存储器将要下载的配置文件传至配置接口模块(4-25)，配置接口模块则将配置文件下载到片内配置存储器中，以完成整个故障修复过程。

本发明的积极效果：本发明采用软硬件相结合的方式，实现了基于FPGA的故障电路的在线自修复过程，首次提出采用搜索异构等效电路数据库再配以动态可重构修复的容错方法，解决了冗余设计浪费大量片内资源的问题，设计具有很强的实用性。

综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；凡基于上述基本思路，不脱离本创作精神和范围内所做的各种更动和修饰，都应属于本发明所公开的范围。

Claims (10)

1.一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，其特征在于：该容错系统包括故障检测部分(1)，空间搜索部分(2)，异构电路数据库部分(3)，可重构修复电路部分(4)；所述故障检测部分(1)包括故障检测模块(1-1)，故障定位模块(1-2)和故障信息存储器(1-3)，所述空间搜索部分(2)包括异构等效电路搜索模块(2-1)和数据库数据读出控制器(2-2)，所述异构电路数据库部分(3)包括异构等效电路数据库(3-1)和搜索结果存储器(3-2)，所述可重构修复电路部分(4)包括配置控制器(4-1)和异构等效电路映射模块(4-2)；

故障检测部分(1)与功能电路直接相连。所述的故障检测模块(1-1)的信号输入端连接于功能电路，故障检测模块(1-1)的信号输出端连接故障定位模块(1-2)，所述的故障定位模块(1-2)的信号输出端连接故障信息存储器(1-3)，且同时故障定位模块(1-2)的搜索启动输出信号连接异构等效电路搜索模块(2-1)，故障信息存储器(1-3)的数据输出端口连接异构等效电路搜索模块(2-1)；

异构等效电路搜索模块(2-1)的搜索信号输出端口连接异构等效电路数据库(3-1)，且同时异构等效电路搜索模块(2-1)的搜索结果输出信号端口连接数据库数据读出控制器(2-2)，数据库数据读出控制器(2-2)的数据控制输出信号端口连接异构等效电路数据库(3-1)的控制信号接收端口；

异构等效电路数据库(3-1)的数据输出端口连接搜索结果存储器(3-2)的数据输入端口，搜索结果存储器(3-2)的信号输出端口连接异构等效电路映射模块(4-2)；

配置控制器(4-1)的读出搜索结果数据启动信号端口连接搜索结果存储器(3-2)，且同时配置控制器(4-1)的重配置启动信号端口连接异构等效电路映射模块(4-2)。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，其特征在于：故障检测部分(1)的故障检测模块(1-1)包括控制处理器(1-11)、锁存器(1-12)、受控对象(1-13)和数据比较器(1-14)；

控制处理器(1-11)的数据发送端连接锁存器(1-12)的命令输入端；

锁存器(1-12)的数据输出端连接受控对象(1-13)的数据接收端；

受控对象(1-13)即被检测电路部分，其数据输出端连接锁存器(1-12)的数据接收端；

数据比较器(1-14)的比较启动信号接收端连接控制处理器(1-11)的比较启动信号发送端口，且同时数据比较器的数据接收端口连接锁存器(1-12)的数据输出端口。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，其特征在于：故障检测部分(1)的故障定位模块(1-2)包括控制器(1-21)、故障搜索模块(1-22)、故障单元标识模块(1-23)和故障坐标信息缓存器(1-24)。

控制器(1-21)的故障搜索启动信号输出端口连接故障搜索模块(1-22)的故障搜索启动信号输入端口，且同时控制器(1-21)的故障信息控制输出端口连接故障坐标信息缓存器(1-24)的数据输出控制端口；

故障搜索模块(1-22)的故障检测完成信号输出端口连接故障单元标识模块(1-23)的信号接收端口；

故障单元标识模块(1-23)的信号输出端口连接故障坐标信息缓存器(1-24)的输入端口； 

故障坐标信息缓存器(1-24)的数据控制输入端口连接控制器(1-21)的数据输出控制端口，且同时故障坐标信息缓存器的数据输出端口连接故障信息存储器(1-3)的数据输入端口。

4.根据权利要求1所述的一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，其特征在于：故障信息存储器(1-3)的数据输出端口连接异构等效电路搜索模块(2-1)的故障信息接收端口，其数据接收端口连接故障定位模块(1-2)的信号输出端。

5.根据权利要求1所述的一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，其特征在于：异构等效电路搜索模块(2-1)的搜索信号输出端口连接异构等效电路数据库(3-1)数据接收端口，异构等效电路搜索模块的异构等效电路数据库数据接收端口连接异构等效电路数据库(3-1)的数据输出端口，异构等效电路搜索模块的搜索结果输出信号端口连接数据库数据读出控制器(2-2)的数据接收端口，异构等效电路搜索模块的故障信息接收端口连接故障信息存储器(1-3)的数据输出端口，异构等效电路搜索模块的故障定位信息接收模块连接故障定位模块(1-2)的故障信息输出端口。

6.根据权利要求1所述的一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，其特征在于：数据库数据读出控制器(2-2)的数据控制输出信号端口连接异构等效电路数据库(3-1)，数据库数据读出控制器的数据接收端口连接异构等效电路搜索模块(2-1)的搜索信号输出端口。

7.根据权利要求1所述的一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，其特征在于：异构等效电路数据库(3-1)的数据接收端口连接异构等效电路搜索模块(2-1)的搜索信号输出端口，异构等效电路数据库的数据输出端口连接异构等效电路搜索模块(2-1)的异构等效电路数据库数据接收端口，异构等效电路数据库的控制信号接收端口连接数据库数据读出控制器(2-2)的数据控制输出信号端口；异构等效电路数据库的异构等效电路数据输出端口连接搜索结果存储器(3-2)的数据接收端口。

8.根据权利要求1所述的一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，其特征在于：搜索结果存储器(3-2)的数据接收端口连接异构等效电路数据库(3-1)的异构等效电路数据输出端口，搜索结果存储器的数据输出端口连接异构等效电路映射模块(4-2)的搜索结果数据接收端口，搜索结果存储器的配置信号接收端口连接配置控制器(4-1)的配置信号输出端口。

9.根据权利要求1所述的一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，其特征在于：配置控制器(4-1)的配置信号输出端口连接搜索结果存储器(3-2)的配置信号接收端口，配置控制器的重配置控制信号输出端口连接异构等效电路映射模块(4-2)的重配置控制信号接收端口。

10.根据权利要求1所述的一种基于空间搜索技术的异构容错电路设计系统，其特征在于：异构等效电路映射模块(4-2)包括异构等效电路矩阵转换器(4-21)、配置存储控制器(4-22)、配置存储器(4-23)、配置控制器(4-24)、配置接口模块(4-25)；

异构等效电路矩阵转换器(4-21)的数据接收端口连接搜索结果存储器(3-2)的数据输出端口，其控制信号接收端口连接配置存储控制器(4-22)的控制信号发送端口，其转换结果输出端 口连接配置存储器(4-23)；

配置存储控制器(4-22)的控制信号输出端口连接异构等效电路矩阵转换器(4-21)的控制信号接收端口；

配置存储器(4-23)的数据接收端口连接异构等效电路矩阵转换器(4-21)的数据输出端口，且同时其数据输出端口连接于配置接口模块(4-25)；

配置控制器(4-24)的控制信号输出端口连接配置存储器(4-23)的配置启动信号接收端口；

配置接口模块(4-25)的数据接收端口连接配置存储器(4-23)的数据输出端口。 

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