CN110210102B - 仿生自修复硬件分布式全局动态布线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种仿生自修复分布式全局动态布线方法及系统，以所有功能细胞和所有布线细胞为功能节点构建拓扑网络；该方法包括：功能细胞通过关闭可编程模块后经广播网络广播自身地址并获取目标节点地址，并将上述地址信息和线网信息打包并转发给相邻的布线细胞；布线细胞初始化配置后解析数据获得解析信息，并根据解析信息计算线网三次弯折方向；根据弯折方向控制交叉开关的状态，以使功能细胞到目标节点所对应功能细胞之间的单向通信路径打通；所有布线细胞并行工作，直至所有线网布线完成；功能细胞在布线完成后打开可编程模块。实现数据传输稳定性与远距离动态布线。

Description

仿生自修复硬件分布式全局动态布线系统

技术领域

本发明涉及电子电路可靠性技术领域，具体是一种仿生自修复硬件分布式全局动态布线方法及系统。

背景技术

仿生自修复硬件是一种并行、分布式的动态可重构计算系统。它借鉴多细胞生物自修复机制，为提高电子系统可靠性及容错能力提供了新的解决方案。在仿生自修复硬件中，功能电路被划分并打包成一个个小的功能模块，每个功能模块都可以由一个电子细胞实现。电子细胞是仿生自修复硬件的基本组成单元，每个电子细胞都可以在线监控自身行为，并根据内外部环境，自主动态的配置其功能，确定其连接关系。不同电子细胞相互配合，共同完成目标电路功能。当故障发生时，故障细胞的配置功能可以交由空闲细胞实现，线网结构也随之改变，从而实现故障在线重构。仿生自修复硬件中的各个电子细胞结构相同，空闲细胞具有极强的通用性，可以替换硬件中的任意故障细胞，相比于多模冗余等硬件容错技术，仿生自修复硬件容错能力更强。

根据功能模块调整结果，重新建立模块之间的物理连接关系是仿生自修复硬件的技术难点。目前的解决思路主要包括两类，一类是动态布线技术，一类是路由技术。动态布线技术中，布线资源包括可编程开关、互连线等，各个电子细胞根据自身功能模块动态改变其附属布线资源的开关状态，并针对不同连接关系建立专门连接线网，保证各个模块之间的信号传递快速高效。受电子细胞的可编程开关数目限制，动态布线主要发生在相邻细胞之间，难以进行远距离调整，进而限制功能模块调整范围，影响自修复效果。例如，在行/列移除机制中，空闲细胞(SC)分布于工作细胞(WC)右侧(或某一特定方向)，若一个工作细胞发生故障，其所在列的所有细胞将会失效，将该列左右两侧的细胞直接相连，同时该列及其右侧的各列细胞将依次进行功能移位，直至最右侧的工作细胞将其配置信息传递给其相邻的空闲细胞。该方法动态布线相对简单，但为替换一个故障细胞，常常需要消耗一整行/列空闲细胞，空闲细胞的利用率较低。在Yang的近邻替换机制中，电子细胞阵列由工作细胞(WC)与空闲细胞(SC)交替排列组成，工作细胞与空闲细胞都连接在多路选择器的输入端，当工作细胞发生故障后，改变多路选择器的配置信息从而实现空闲细胞替换故障细胞。由于工作细胞周围只有四个空闲细胞，一个工作细胞可以实现四次自修复替换。在Lala的电子细胞阵列中，每个功能细胞(FC)周围有两个空闲细胞(SC)和两个布线细胞(RC)，功能细胞仅保存自身配置信息，而空闲细胞则保存周围四个功能细胞的配置信息，同时布线细胞保存着细胞替换时可能的互连变化方式。空闲细胞可以对其周围四个功能细胞中的任意一个进行快速替换。路由技术依赖于公共总线(例如片上网络)，各个模块之间传递的是经过处理的数据包。在功能模块调整过程中，只需要改变数据包中目标位置信息，并不改变公共总线物理结构。路由技术非常灵活，可以简化复杂的线网设计，但是路由技术主要基于数据包传递，存储-转发延迟可能会很大，且有丢失数据包的风险，其使用范围受限。例如，在eDNA中，所有电子细胞通过片上网络相互连接。细胞通信需要将待发送数据封装成数据包，通过互连网络中各个路由节点进行转发，才能到达目标细胞。在自修复过程中，故障细胞可以由网络中的任何空闲细胞替换，且无需进行重新布线。

综上所述，动态布线技术所建立的物理连接通路实时性好，数据传输稳定，但难以进行远距离动态布线；路由技术克服了距离的限制，但其物理连接通路延迟较大，稳定性较差。

发明内容

本发明提供一种仿生自修复硬件分布式全局动态布线方法及系统，用于克服现有动态布线技术中难于进行远距离动态布线及现有路由技术中物理连接通路延迟大、数据传输稳定性差等缺陷，为每个线网建立一个专门的物理连接通路，同时能根据需要全局调整线网，将进一步提高仿生自修复硬件的综合性能，同时实现数据传输稳定性与远距离动态布线。

为实现上述目的，本发明提供一种仿生自修复硬件分布式全局动态布线系统，包括：

可编程布线网，包括与功能细胞连接的输入引脚和输出引脚；所有功能细胞之间的输出引脚、输入引脚之间通过纵向线、横向线及交叉开关形成的线网连接；所述纵向线和横向线在交叉位置通过所述交叉开关连接；

分布式控制系统，包括若干所述功能细胞和若干布线细胞，功能细胞之间通过广播网络通信，相邻布线细胞之间以及功能细胞与相邻布线细胞之间通过近邻网络通信；

所述功能细胞关闭可编程模块的输入引脚和输出引脚后，通过广播网络广播自身地址，并接收目标节点地址，并通过近邻网络将上述地址信息及线网信息均转发给相邻的布线细胞；

所述布线细胞初始化配置并将自身配置为空闲状态，该布线细胞控制的所有交叉开关均处于双向连通状态；解析接收的数据获得解析信息，并根据解析信息计算线网弯折方向；根据弯折方向控制交叉开关的状态，每次线网布线均通过三次弯折控制三个交叉开关的状态以打通功能细胞到目标节点所对应功能细胞之间的单向通信路径；所有布线细胞并行工作，直至所有线网布线完成，向所述功能细胞发送布线完成信号；

所述功能细胞接收布线完成信号并打开可编程模块的输入输出引脚。

为实现上述目的，本发明还提供一种仿生自修复分布式全局动态布线方法，以所有功能细胞和所有布线细胞为功能节点构建拓扑网络；包括：

所述功能细胞关闭可编程模块的输入引脚和输出引脚后，通过广播网络广播自身地址并接收其余功能细胞发送的信息，并更新目标节点地址，并将上述地址信息和线网信息通过近邻网络传递给相邻的布线细胞；

所述布线细胞初始化配置并将自身配置为空闲状态，该布线细胞控制的所有交叉开关处于双向连通状态；解析接收的数据获得解析信息，并根据解析信息计算线网弯折方向；根据弯折方向控制交叉开关的状态，每次线网布线均通过三次弯折控制三个交叉开关的状态，以打通所述功能细胞到目标节点所对应功能细胞之间的单向通信路径；

所有布线细胞并行工作，直至所有线网布线完成，向所述功能细胞发送布线完成信号；

所述功能细胞接收布线完成信号并打开可编程模块的输入输出引脚。

本发明提供的仿生自修复分布式全局动态布线方法及系统，在需要布线时，功能细胞通过广播网络广播自身节点地址，并接收其他功能细胞发送的节点地址，具体更新目标节点地址；各相邻布线细胞之间及相邻的布线细胞与功能细胞之间均可通过近邻网络通信，并且各自具备处理能力，功能细胞将上述数据发送给控制与该功能细胞输出引脚连接的交叉开关的布线细胞，布线细胞根据数据包进行分析结算，获得一次弯折方向并配置该交叉开关状态后发送给控制连接纵向线与横向线交叉开关的布线细胞，该布线细胞根据数据包和弯折方向进行分析计算获得二次弯折方向并配置该交叉开关状态后发送给控制与目标节点输入引脚连接的交叉开关的布线细胞，该布线细胞再次根据数据包和二次弯折方向进行分析计算获得三次弯折方向并配置该交叉开关状态后，完成功能节点与目标节点之间的单向布线并向功能细胞反馈布线结束，布线过程所有布线细胞可并行工作；布线细胞布线结束后为空闲状态，功能细胞在布线结束后可编程模块打开，更新输入输出引脚编号，而在布线开始后，功能细胞的可编程模块处于关闭状态，输入输出引脚信息不可更新；每个单向布线形成的线网可为一个信号提供专属的物理通道，保证信号稳定传递，动态布线可在功能节点发生变化时，改变一系列交叉开关的开合状态，为每个信号配置其专属线网，将功能节点间的连接关系重新映射到可编程布线资源上；上述布线方式能够为每个单向线网建立一个专门的物理连接通路，同时能根据需要全局调整线网，将进一步提高仿生自修复硬件的综合性能。克服了现有动态布线技术中难于进行远距离动态布线及现有路由技术中物理连接通路延迟大、数据传输稳定性差等缺陷，同时实现数据传输稳定性与远距离动态布线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的系统提供的布线资源及坐标编码示意图；

图2为实施例一中交叉开关的四种状态；

图3为实施例一中线网所需三个交叉开关转向示意图；

图4a为实施例一中布线细胞所管理的布线资源示意图一；

图4b为实施例一中布线细胞所管理的布线资源示意图二；

图4c为实施例一中布线细胞所管理的布线资源示意图三；

图5为实施例一中布线细胞通信网络示意图；

图6为实施例一中功能细胞的公共总线网络示意图；

图7为实施例一中功能细胞结构示意图；

图8为实施例中布线细胞结构示意图；

图9为实施例二的方法实现的布线结果示意图；

图10为图9中各线网开关编号示意图；

图11为图9布线过程中各交叉开关随时间的动作关系示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如附图1-5所示，本发明提供一种仿生自修复硬件分布式全局动态布线系统，包括：

可编程布线网，包括与功能细胞连接的输入引脚和输出引脚；所有功能细胞之间的输出引脚、输入引脚之间通过纵向线、横向线及交叉开关形成的线网连接；所述纵向线和横向线在交叉位置通过所述交叉开关连接；

分布式控制系统，包括若干所述功能细胞和若干布线细胞，功能细胞之间通过广播网络通信，相邻布线细胞之间以及功能细胞与相邻布线细胞之间通过近邻网络通信；

所述功能细胞关闭可编程模块的输入引脚和输出引脚后，通过广播网络广播自身地址，并接收目标节点地址，并通过近邻网络将上述地址信息及线网信息均转发给相邻的布线细胞；

所述布线细胞初始化配置并将自身配置为空闲状态，该布线细胞控制的所有交叉开关均处于双向连通状态；解析接收的数据获得解析信息，并根据解析信息计算线网弯折方向；根据弯折方向控制交叉开关的状态，每次线网布线均通过三次弯折控制三个交叉开关的状态以打通功能细胞到目标节点所对应功能细胞之间的单向通信路径；所有布线细胞并行工作，直至所有线网布线完成，向所述功能细胞发送布线完成信号；

所述功能细胞接收布线完成信号并打开可编程模块的输入输出引脚。

本实施例中，可编程布线网包括：

功能细胞阵列，由若干功能细胞按照行、列阵列而成，每个功能细胞具有输出引脚和输入引脚；功能细胞可根据不同的使用场景阵列呈任意形状，例如矩形、圆形、椭圆形、正多边形等，参见图1，其中包括F1-F16十六个功能细胞呈4*4正方形阵列，每个功能细胞的输出引脚用于输出信号，输入引脚用于输入信号；输入引脚及输入引脚均通过引脚线与交叉开关连接；

布线细胞阵列，由若干布线细胞排列而成，布线细胞包括输出开关布线细胞、连接开关布线细胞和输入开关布线细胞，连接开关布线细胞用于连接输出开关布线细胞与输入开关布线细胞；所述布线细胞阵列包括输入开关布线细胞阵列、输出开关布线阵列和连接开关布线阵列；

输出开关布线细胞阵列由多个输出细胞簇按照行排列，每个输出细胞簇由若干输出开关布线细胞阵列成一列输出细胞簇；输入开关布线细胞阵列由若干输入开关布线细胞阵列形成；连接开关布线细胞阵列由多个连接细胞簇按照列排列，每个连接细胞簇由若干连接开关细胞阵列成一行连接细胞簇连接细胞簇连接细胞簇；其中：

输出开关布线细胞、连接开关布线细胞、输入开关布线细胞均包括多个交叉开关排列形成的开关矩阵；交叉开关之间通过横向线和纵向线形成的线网连接；每个功能细胞与一个输出细胞簇中的一个输出开关布线细胞、一个连接细胞簇中的一个连接开关布线细胞和一个输入开关布线细胞形成一个功能单元；形成输出细胞簇的开关阵列参见图4b中位于同列的输出开关矩阵，形成连接细胞簇的开关阵列参见图4b中位于同行的连接开关矩阵，形成输入开关布线细胞的开关阵列参见图4b中的输入开关矩阵；为实现两个功能细胞之间的多条线路布置，仿真多细胞生物的复杂机制，这些开关矩阵通常采用多行多列矩形阵列，图4a中上述这些开关矩阵均采用3*3开关矩阵；

所有功能细胞通过公共总线通信连接；公共总线彼此连接形成广播网络，每个所述功能细胞通过广播网络与其他功能细胞通信连接，相邻的布线细胞之间以及功能细胞与相邻的布线细胞之间均通过近邻网络通信连接；所述近邻通信网络包括点对点通信网络，每个点对应一个布线细胞或一个功能细胞。

在本发明一实施例中，所述广播网络包括至少一条公共总线，功能细胞分别与所述公共总线连接；适用于功能细胞数量不多的布线网络。

通过功能细胞的控制部分及布线细胞的控制部分实现该功能细胞顺次经与自身所述同一功能单元的输出开关布线细胞所在的输出细胞簇、连接开关布线细胞所在的连接细胞簇、输入开关布线细胞实现单向通信连接；这里从一个功能细胞到另一个功能细胞输入引脚之间的单向连接线路形成了仿生自修复硬件的线网，通常指在一个输出引脚与一个输入引脚之间的一条可连通、无分叉的通路(本设计中的线网都是指属于单源点单目标点类型)，每个线网可为一个信号提供专属的物理通道，保证信号稳定传递；

所述功能细胞的控制部分，用于通过广播网络发送所述功能细胞在拓扑网络中节点地址，并通过广播网络获取其他功能细胞的广播信息以更新目标节点地址，与功能细胞自身存储的线网信息共同打包形成数据包，并将数据包均转发给布线细胞；在本发明一实施例中，参见图6，所述广播网络包括至少两条不交叉的主公共总线，功能细胞分别与所述主公共总线连接，具体一部分功能细胞可连接在其中一条主公共主线上，另一部分功能细胞连接在另外的主公共主线上；所述主公共总线的两端各自连接在一条辅公共总线上；所述主公共总线和辅公共总线形成闭环连接；所述近邻通信网络包括点对点通信网络，每个点对应一个布线细胞或一个功能细胞。适用于功能细胞数量较多且线路复杂的布线网络，结构上便于布线。

所述布线细胞的控制部分，用于解析数据包获得解析信息，并根据解析信息计算线网弯折方向；根据弯折方向控制交叉开关的状态，所有布线均通过控制三个交叉开关实现线网三次弯折，以打通所述功能细胞到目标节点所对应功能细胞之间的单向通信路径。

通过功能细胞和布线细胞的控制部分，动态布线可在功能细胞对应的功能节点发生变化时，改变连接线路上一系列交叉开关的开合状态，为每个信号配置其专属线网，将功能节点间的连接关系重新映射到可编程布线资源(上述布线系统)上。

在需要布线时，功能细胞通过公共线网(广播网络)广播自身节点地址，并获得当前状态下各功能细胞的节点地址(在接收到上级指令包含的目标地址编号时，通过编号查询到目标节点的地址，并将当前节点地址信息、输出引脚编号和目标地址信息和目标地址输入引脚标号一并打包成数据包)，各相邻布线细胞之间及相邻的布线细胞与功能细胞之间，均可以通过近邻网络通信，并且各自具备处理能力，功能细胞上述数据包发送给之相邻的输出细胞簇，输出细胞簇根据数据包进行分析结算，获得一次弯折方向并配置交叉开关状态后发送给连接细胞簇，连接细胞簇根据数据包和弯折方向进行分析计算获得二次弯折方向并配置交叉开关状态后发送给输入开关布线细胞，输入开关细胞再次根据数据包和二次弯折方向进行分析计算获得三次弯折方向并配置交叉开关状态后，完成功能节点与目标节点之间的单向布线；每个单向布线形成的线网可为一个信号提供专属的物理通道，保证信号稳定传递，动态布线可在功能节点发生变化时，改变一系列交叉开关的开合状态，为每个信号配置其专属线网，将功能节点间的连接关系重新映射到可编程布线资源上；上述布线方式能够为每个单向线网建立一个专门的物理连接通路，同时能根据需要全局调整线网，将进一步提高仿生自修复硬件的综合性能。克服了现有动态布线技术中难于进行远距离动态布线及现有路由技术中物理连接通路延迟大、数据传输稳定性差等缺陷，同时实现数据传输稳定性与远距离动态布线。

优选地，为使布设结构紧凑，节约资源，采用下面的具体布线结构：

所述输出细胞簇阵列，列数量与功能细胞阵列的列数相同，每个输出细胞簇均沿横向布置于功能细胞阵列中一列功能细胞的同侧(例如：每个输出细胞簇排列位于一列功能细胞的左侧，两者间隔交错布设；每个输出细胞簇位于一个功能细胞的正左侧并与输出引脚连接；又例如：每个输出细胞簇位于一列功能细胞的右侧，两者间隔交错布设；每个输出细胞簇位于一个功能细胞的正右侧并与输出引脚连接，参见图4)，并分别对应与该列功能细胞的输出引脚连接；每个输出细胞簇由数量与功能细胞阵列的行数相同的输入开关布线细胞阵列而成；

所述输入开关布线细胞阵列，输入开关布线细胞的数量与功能细胞数量相同，每个输入开关布线细胞与一个功能细胞的输入引脚连接，每一输入开关布线细胞均沿纵向布置于一个功能细胞的同一方向(例如：每个输入开关布线细胞位于一个功能细胞的正上侧并与输如引脚连接；又例如：每个输入开关布线细胞位于一个功能细胞的正下侧并与输入引脚连接，参见图3、4a)；

所述连接细胞簇阵列，行数量与功能细胞阵列的行数相同，每个连接细胞簇由数量与功能细胞阵列的列数相同的连接开关布线细胞(实际上为一个矩形交叉开关阵列)排列而成；每个连接开关布线细胞位于输出开关布线细胞与输入开关布线细胞之间，并与一个同时连接所述输出布线细胞及输入开关布线细胞的功能细胞、所述输出布线细胞、输入开关布线细胞形成矩形阵列单元；连接细胞簇在横向上与相邻的输入开关布线细胞连接，在纵向上与相邻的输出细胞簇连接。

优选地，所述横向线包括：长横线和短横线(输出引脚线)；所述纵向线包括：长纵线和短纵线(输入引脚线)；所述交叉开关包括输出交叉开关、连接交叉开关和输入交叉开关；

所述短横线连接功能细胞的输出引脚与长纵线，短横线与长纵线之间通过输出交叉开关连接；所述输出交叉开关阵列形成所述输出细胞簇；

所述短纵线连接功能细胞的输入引脚与长横线，短纵线与长横线之间通过输入交叉开关连接；所述输入引脚开关阵列形成所述输入开关布线细胞；

长横线和长纵线之间通过连接交叉开关连接，所述连接开关阵列形成所述连接细胞簇。

在初始状态下，连通一个线网所需重新配置的控制开关数目称为该线网的逻辑长度d_logic。通常，逻辑长度越短，动态布线所需的计算量越小，但系统所需的布线资源越多。已有的动态布线技术中，其线网的逻辑长度多为1或2。经过特殊设计，所有的线网逻辑长度相等，该过程称为逻辑长度规范化，规范化有利于算法并行处理。

本系统以16个功能细胞所组成的阵列(4×4)为例，介绍可编程布线资源。如图1、图3所示，功能细胞(F)的输出引脚都分布于细胞的右侧，而输入引脚则分布于细胞的下侧。功能细胞周围分布着交叉开关、连线等布线资源。在本系统中，连线共包括四种：输出引脚线、输入引脚线、长横线、长纵线。输出引脚线是指从功能细胞右侧的输出引脚引出的一系列短横线，采用功能细胞编号及输出引脚编号为输出引脚线编号(如F8(out2))。输入引脚线是指从功能细胞下侧的输入引脚引出的一系列短纵线，采用功能细胞编号及输入引脚编号为输入引脚线编号(如F8(in1))。长横线是指贯穿整个阵列一系列横向线，采用行通道编号及横线位置编号为长横线编号(如R2(1))。长纵线是指贯穿整个阵列一系列纵向线，采用列通道编号及纵线位置编号为长纵线编号(如C4(2))。

连线的数量需要根据目标功能电路进行设计，具体方法如下：

(1)功能细胞的输出引脚线数目＝功能节点最大输出引脚数目；

(2)功能细胞的输入引脚线数目＝功能节点最大输入引脚数目；

(3)纵向通道的长纵线数目＝功能节点最大输出引脚数目×纵向功能细胞数目；

(4)横向通道的长横线数目＝功能节点最大输入引脚数目×横向功能细胞数目；

输出引脚线与长纵线交叉，得到输出交叉开关矩阵；长纵线与长横线交叉，得到连接交叉开关矩阵；长横线与输入引脚线交叉，得到输入开关矩阵。交叉开关(图中表示为符号x)通常采用三个坐标进行描述，第一个坐标表示布线细胞编号，第二个坐标表示在该布线细胞中其所属连线位置编号，第三个坐标表示在其所属连线上的开关位置编号。例如输出细胞簇位置坐标表示为(布线细胞编号，长纵线位置编号，开关位置编号)，连接细胞簇位置坐标表示为(布线细胞编号，长横线位置编号，开关位置编号)，输入开关布线细胞位置坐标表示为(布线细胞编号，输入引脚线位置编号，开关位置编号)。

通过上述长横线、短横线、长纵线、短纵线的线网结构有利于按照位置对交叉开关的状态进行控制。

为了应对复杂布线网络，需要成立专门的布线细胞管理一个区域内的布线资源(可编程布线网)。但是区别于Lala电子细胞阵列中相互独立的布线细胞，本设计中各个布线细胞不仅具备一定处理能力，而且可以相互通信，组成一个分布式计算系统。

各个布线细胞所管理的布线资源如图4所示。其中功能细胞右侧的输出交叉开关矩阵负责管理线网的输出交叉开关，每一列的所有输出交叉开关矩阵由一个输出细胞簇(C)管理，在图4c中，共有四个输出细胞簇，分别命名为C1，C2，C3，C4；功能细胞右下侧的连接交叉开关矩阵负责管理线网的连接交叉开关，每一行的所有连接交叉开关矩阵由一个连接细胞簇(R)管理，在图4c中，共有四个连接细胞簇，分别命名为R1，R2，R3，R4；功能细胞下侧的输入开关矩阵负责管理线网的输入开关，每个功能细胞所对应的输入开关矩阵由一个输入开关布线细胞(I)管理，在图4c中，共有16个连接细胞簇，分别命名为I1，I2，…，I16。

优选地，参见图7、图8，每个功能细胞的控制部分包括：

存储器，用于存储自身地址、目标节点地址及线网信息；线网信息包括源节点输出引脚信息和目标节点输入引脚信息，所述功能细胞自身对应拓扑网络中源节点；

处理单元，用于从存储器中提取自身节点地址、输出引脚编号及目标节点地址、输入引脚编号一并打包形成数据包，并转发给布线细胞；

每个布线细胞包括：

处理单元，用于在接收到来自于相邻的功能细胞或相邻的布线细胞发出的请求信号时，回复允许信号并将自身状态配置为工作状态；

还用于接收相邻功能细胞发送的目标地址或相邻布线细胞发送的线网信息；并对接收的数据进行解析获得解析数据，并根据解析信息计算网线弯折方向；

还用于根据配置寄存器的反馈信号进行判断，在布线终端的所述布线细胞是输入开关布线细胞时，将自身状态配置为空闲状态；在收到布线完成信号时结束任务；

配置寄存器，查询线网当前连线上各交叉开关状态，在交叉开关处于空闲状态时，根据上述弯折方向配置该交叉开关状态，并向处理单元反馈。

每个交叉开关受两个配置比特控制，共有四种状态。参见图2，在“00”状态，左侧线直连右侧线，上侧线直连下侧线；在“11”状态，左侧线、右侧线、上侧线、下侧线互不连通；在“10”状态，左侧线拐弯连接下侧线，上侧线拐弯连接右侧线；在“01”状态，左侧线拐弯连接上侧线，右侧线拐弯连接下侧线。

参见图3，在该可编程布线资源中，实现任意线网都要依次打开三个开关，即线网的逻辑长度都为3。信号从输出引脚拐入某一纵向线，需要打开一个输出交叉开关(构成输出细胞簇的输出交叉开关矩阵中连接该纵向线与输出引脚线的交叉开关)；信号从纵向线拐入某一横向线，需要打开一个连接交叉开关(构成行编号与目标节点行编号相同的连接细胞簇的连接交叉开关矩阵中连接该横向线的交叉开关)；信号从横向线拐入目标细胞的特定输入引脚，需要打开一个输入开关。

优选地，所述布线细胞的控制部分还包括所述通道状态寄存器，用于在长横线或长纵线上存在至少一个交叉开关被占用时，将所述长横线或纵横线的状态配置为占用状态；否则配置为空闲状态；

所述配置寄存器，还用于配置两位比特流以形成用于对所述交叉开关的状态进行控制的状态控制信号；所述交叉开关在纵横均连通时处配置为空闲状态，在纵横及左右均阻断时配置为故障状态、在左向连通或右向连通时均配置为自由状态；

所述输出交叉开关的位置坐标用输出细胞簇所在的列编号、长纵线位置编号、开关位置编号表示；

所述连接交叉开关的位置坐标用连接细胞簇所在的行编号、长横线位置编号、开关位置编号表示；

所述输入交叉开关的位置坐标用输入开关布线细胞所连接的功能细胞的编号、短竖线位置编号、开关位置编号表示。

参见图5、图6，布线细胞之间可以进行通信，按照“功能细胞->输出细胞簇->连接细胞簇->输入开关布线细胞->功能细胞”的顺序组成一个单向数据传输网络，其中，每个功能细胞都有专门的输出细胞簇，每个输出细胞簇可以与任意连接细胞簇通信，每个连接细胞簇可以对映多个输入开关细胞。此外，在功能细胞之间还有一条公共总线，用来广播消息。

功能细胞和布线细胞都具备一定的计算能力，可以通过修改配置寄存器内的配置信息，进而改变其关联功能，乃至开关状态。在布线细胞中，还存在一个通道状态寄存器组。若某一个通道状态寄存器是0，则代表该通道处于空闲状态，否则处于占用状态。通道状态寄存器是根据配置寄存器自动运算生成的，其计算方法为：

R_s＝R_c1∨R_c2∨…∨R_cn

若通道上各个开关的配置位都为00，那么该通道状态寄存器为0，否则为1。

实施例二

本发明实施例还提供一种仿生自修复分布式全局动态布线方法，以所有功能细胞和所有布线细胞为功能节点构建拓扑网络；包括：

所述功能细胞关闭可编程模块的输入引脚和输出引脚后，通过广播网络广播自身地址并接收其余功能细胞发送的信息，并更新目标节点地址，并将上述地址信息和线网信息通过近邻网络传递给相邻的布线细胞；

所述布线细胞初始化配置并将自身配置为空闲状态，该布线细胞控制的所有交叉开关处于双向连通状态；解析接收的数据获得解析信息，并根据解析信息计算线网弯折方向；根据弯折方向控制交叉开关的状态，每次线网布线均通过三次弯折控制三个交叉开关的状态，以打通所述功能细胞到目标节点所对应功能细胞之间的单向通信路径；

所有布线细胞并行工作，直至所有线网布线完成，向所述功能细胞发送布线完成信号；

所述功能细胞接收布线完成信号并打开可编程模块的输入输出引脚。

优选地，所述布线细胞解析数据包获得解析信息，并根据解析信息计算线网弯折方向；根据弯折方向控制交叉开关的状态，以使所述功能细胞到目标节点所对应功能细胞之间的路径单向通信；并根据线网弯折方向提取单向连接路径上交叉开关的位置坐标反馈给所述功能细胞的步骤包括：

在接收到来自于周围的功能细胞或其他布线细胞发出的请求信号时，回复允许信号并将自身状态配置为工作状态；

接收发出请求信号的功能细胞或其他布线细胞发送的数据包，解析数据包获得解析信息；

根据解析信息计算线网弯折方向；

查询线网当前连线上各交叉开关状态，在交叉开关处于空闲状态时，根据上述弯折方向配置该交叉开关状态；

在所述布线细胞是输入开关布线细胞时，将自身状态配置为空闲状态；

在所述布线细胞收到布线完成信号时结束任务；

功能细胞在接收到布线完成信号时，打开可编程模块的输入引脚及输出引脚。

具体步骤如下：

控制输出交叉开关的布线细胞收到功能细胞发出的请求信号时，回复允许信号并将自身状态配置为工作状态；接收发出请求信号的功能细胞发送的数据包，解析数据包获得解析信息；

根据解析信息计算线网弯折方向；

查询线网当前长纵线上各交叉开关状态，在交叉开关处于空闲状态时，根据上述弯折方向配置该交叉开关状态，并向控制连接交叉开关的布线细胞发出请求信号；

该布线细胞收到请求信号时，回复允许信号并将自身状态配置为工作状态；接收发出请求信号的布线细胞发送的数据包，解析数据包获得解析信息；

根据解析信息计算线网弯折方向；

查询线网当前长横线上各交叉开关状态，在交叉开关处于空闲状态时，根据上述弯折方向配置该交叉开关状态，并向控制输入交叉开关的布线细胞发出请求信号；

所述布线细胞收到请求信号时，回复允许信号并将自身状态配置为空闲状态；在收到布线完成信号时结束任务；

所述功能细胞在接收到布线完成信号时，打开可编程模块的输入引脚及输出引脚。

优选地，所述根据解析信息计算线网弯折方向的步骤包括：

与功能细胞相邻的输出细胞簇在收到来自该功能细胞的请求信号时；在发出请求信号的功能细胞的行编号小于或等于目标节点行编号时，向下转折；否则向上转折；

连接细胞簇在收到所述输出细胞簇的请求信号时；在发出请求信号的输出细胞簇的列编号小于或等于目标节点列编号时，向右转折；否则向左转折；

输入开关布线细胞在收到所述连接细胞簇的请求信号时；在输入开关布线细胞的编号与目标节点编号相同时，向上转折。

优选地，在长横线或长纵线上存在至少一个交叉开关被占用时，将所述长横线或纵横线的状态配置为占用状态；否则配置为空闲状态；

配置两位比特流以形成用于对所述交叉开关的状态进行控制的状态控制信号；所述交叉开关在纵横均连通时处配置为空闲状态，在纵横及左右均阻断时配置为故障状态、在斜向连通时均配置为转向状态；

所述输出交叉开关的位置坐标用输出细胞簇所在的列编号、长纵线位置编号、开关位置编号表示；所述连接交叉开关的位置坐标用连接细胞簇所在的行编号、长横线位置编号、开关位置编号表示；所述输入交叉开关的位置坐标用输入开关布线细胞所连接的功能细胞的编号、短竖线位置编号、开关位置编号表示。

优选地，所述查询线网当前连线上各交叉开关状态，在处于空闲状态时，根据上述弯折方向配置该交叉开关状态的步骤包括：

在与功能细胞相邻的输出细胞簇中选择空闲状态的长纵线作为列向通道；在请求信号来自输出交叉开关左侧并需要向上转折时，配置为第一转向状态；在请求信号来自交叉开关左侧并需要向下转折时，配置为第二转向状态；

在行编号与目标节点行号相同的连接细胞簇中选择空闲状态的长横线作为行向通道；在请求信号来自连接交叉开关的上侧并需要向左转折时，配置为第一转折状态；在请求信号来自连接交叉开关的上侧并需要向右转折时，配置为第二转折状态；在请求信号来连接交叉自开关下侧并需要向右侧转折时，配置为第一转折状态；在请求信号来自连接交叉开关下侧，需要向左侧转折时，配置为第二转折状态；

在布线编号与目标节点编号相同的输入布线细胞中选择空闲状态的输入交叉开关，在请求信号来自输入交叉开关的左侧并向上转折时，配置为第一转向状态；在请求信号来自输入交叉开关的右侧并向上转折时，配置为第二转向状态。

分布式动态布线过程与超标量流水线工作过程类似。每一个线网的动态布线过程可划分成三个前后顺承，具有一定相似性的子任务：打开输出交叉开关，打开连接交叉开关，打开输入引脚开关。系统中存在多个连接细胞簇，输出细胞簇以及输入引脚布线细胞，可以实现空间的并行操作。各个布线细胞按照相同的时钟同步工作，将布线模块从接收数据包到打开配置开关所需的总时间称为一个任务周期，所有布线细胞的任务周期相同。下面分别介绍动态布线过程中，功能细胞及布线细胞的工作流程。

对功能细胞而言，在功能节点调整完毕后，执行以下步骤：

(1)关闭可编程模块的输入输出引脚，通过公共网络广播自身的功能节点信息，并接收其余功能细胞发送的信息，以更新目标节点地址信息，直至所有功能细胞广播完毕；

(2)检查自身功能节点有没有未完成的输出线网，如果有，进入步骤(3)；否则，进入步骤(5)；

(3)将输出线网目标节点引脚的物理地址进行打包，向相邻输出细胞簇发出请求信号，等待直至收到允许答复；

(4)向相邻输出细胞簇发送数据包，返回步骤(2)；

(5)等待直至收到布线完成信号，打开可编程模块的输入输出引脚。

对布线细胞而言，在功能节点调整完毕后，执行以下步骤：

(1)初始化配置，设置所有开关为“00”，将自身状态设为空闲；

(2)等待直至周围细胞向自身发出请求信号，接收请求信号，并向请求细胞发送允许信号，将自身状态设为工作。如果多个细胞向自身发出请求信号，采用轮询机制，依次处理各个请求信号；

(3)接收请求细胞发送过来的数据包，解析该数据包；

(4)计算线网转折方向。在列细胞中，若前一个功能细胞的行号<＝目标行号，向下转折；否则向上转折；在行细胞中，若前一个列细胞的列号<＝目标列号，向阵列右侧转折，否则向阵列左侧转折；在输入引脚细胞中，统一向上转折。

(5)依次查询当前连线上各个开关状态，如果发现有开关空闲(即配置比特为00)，选择并配置该开关。

若请求信号来自开关左侧，需要向阵列上侧转折，那么配置为01；

若请求信号来自开关左侧，需要向阵列下侧转折，那么配置为10；

若请求信号来自开关右侧，需要向阵列下侧转折，那么配置为01；

若请求信号来自开关右侧，需要向阵列上侧转折，那么配置为10；

若请求信号来自开关上侧，需要向阵列左侧转折，那么配置为01；

若请求信号来自开关上侧，需要向阵列右侧转折，那么配置为10；

若请求信号来自开关下侧，需要向阵列右侧转折，那么配置为01；

若请求信号来自开关下侧，需要向阵列左侧转折，那么配置为10；

(6)若该布线细胞是输入开关布线细胞，直接进入步骤(8)；否则，按照线网转折方向，向下一个布线细胞发出请求信号；

(7)等待直至收到允许信号，向下一个细胞发送数据包；

(8)将自身状态设为空闲，检查是否收到布线完成信号，如果收到结束任务；否则返回步骤(2)。

布线完成信号是根据各个布线细胞状态计算得到的，若所有布线细胞都是空闲状态，那么触发布线完成信号。

为了便于本发明的实施，下面结合具体实例作进一步的说明。

采用4×4功能细胞阵列，经过功能节点调整后，各个线网信息如下表所示：

经过分布式布线后，得到的线网如图9所示。线网开关编号参见图10，线网中各交叉开关的时间空间图参见图11。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿生自修复硬件分布式全局动态布线系统，其特征在于，包括：

可编程布线网，包括与功能细胞连接的输入引脚和输出引脚；所有功能细胞之间的输出引脚、输入引脚之间通过纵向线、横向线及交叉开关形成的线网连接；所述纵向线和横向线在交叉位置通过所述交叉开关连接；

分布式控制系统，包括若干所述功能细胞和若干布线细胞，功能细胞之间通过广播网络通信，相邻布线细胞之间以及功能细胞与相邻布线细胞之间通过近邻网络通信；

所述功能细胞关闭可编程模块的输入引脚和输出引脚后，通过广播网络广播自身地址，并接收目标节点地址，并通过近邻网络将上述地址信息及线网信息均转发给相邻的布线细胞；

所述布线细胞初始化配置并将自身配置为空闲状态，该布线细胞控制的所有交叉开关均处于双向连通状态；解析接收的数据获得解析信息，并根据解析信息计算线网弯折方向；根据弯折方向控制交叉开关的状态，每次线网布线均通过三次弯折控制三个交叉开关的状态以打通功能细胞到目标节点所对应功能细胞之间的单向通信路径；所有布线细胞并行工作，直至所有线网布线完成，向所述功能细胞发送布线完成信号；

所述功能细胞接收布线完成信号并打开可编程模块的输入输出引脚。

2.如权利要求1所述的仿生自修复硬件分布式全局动态布线系统，其特征在于，所述横向线包括：长横线和短横线；所述纵向线包括：长纵线和短纵线；所述交叉开关包括输出交叉开关、连接交叉开关和输入交叉开关；

所述短横线连接功能细胞的输出引脚与长纵线，短横线与长纵线之间通过输出交叉开关连接；

所述短纵线连接功能细胞的输入引脚与长横线，短纵线与长横线之间通过输入交叉开关连接；长横线和长纵线之间通过连接交叉开关连接；

任一线网布线按照输出引脚、短横线、输出交叉开关、长纵线、连接交叉开关、长横线、输入交叉开关、短纵线、输入引脚顺次布通。

3.如权利要求2所述的仿生自修复硬件分布式全局动态布线系统，其特征在于，每个功能细胞包括：

存储器，用于存储自身地址、目标节点地址及线网信息；线网信息包括源节点输出引脚信息和目标节点输入引脚信息，所述功能细胞自身对应拓扑网络中源节点；

处理单元，用于从存储器中提取自身节点地址、输出引脚编号及目标节点地址、输入引脚编号一并打包形成数据包，并转发给布线细胞；

每个布线细胞包括：

处理单元，用于在接收到来自于相邻的功能细胞或相邻的布线细胞发出的请求信号时，回复允许信号并将自身状态配置为工作状态；

还用于接收相邻功能细胞发送的目标地址或相邻布线细胞发送的线网信息；并对接收的数据进行解析获得解析数据，并根据解析信息计算网线弯折方向；

还用于根据配置寄存器的反馈信号进行判断，在布线终端的所述布线细胞是输入开关布线细胞时，将自身状态配置为空闲状态；在收到布线完成信号时结束任务；

配置寄存器，查询线网当前连线上各交叉开关状态，在交叉开关处于空闲状态时，根据上述弯折方向配置该交叉开关状态，并向处理单元反馈。

4.如权利要求3所述的仿生自修复硬件分布式全局动态布线系统，其特征在于，所述布线细胞还包括：

通道状态寄存器，用于在长横线或长纵线上存在至少一个交叉开关被占用时，将所述长横线或纵横线的状态配置为占用状态；否则配置为空闲状态；

所述配置寄存器，还用于配置两位比特位以形成用于对所述交叉开关的状态进行控制的状态控制信号；所述交叉开关在纵横均连通时处配置为00，在纵横及左右均阻断时配置为11、在左下、右上连通时配置为10，在左上、右下连通时均配置为01；

所述输出交叉开关的位置坐标用输出细胞簇所在的列编号、长纵线位置编号、开关位置编号表示；

所述连接交叉开关的位置坐标用连接细胞簇所在的行编号、长横线位置编号、开关位置编号表示；

所述输入交叉开关的位置坐标用输入开关布线细胞所连接的功能细胞的编号、短竖线位置编号、开关位置编号表示。

5.如权利要求1～4任一项所述的仿生自修复硬件分布式全局动态布线系统，其特征在于，所述广播网络包括至少一条公共总线，功能细胞分别与所述公共总线连接

所述近邻通信网络包括点对点通信网络，每个点对应一个布线细胞或一个功能细胞。

6.一种仿生自修复硬件分布式全局动态布线方法，其特征在于，以所有功能细胞和所用布线细胞为功能节点构建拓扑网络；包括：

所述功能细胞关闭可编程模块的输入引脚和输出引脚后，通过广播网络广播自身地址并接收其余功能细胞发送的信息，并更新目标节点地址，并将上述地址信息和线网信息通过近邻网络传递给相邻的布线细胞；

所述布线细胞初始化配置并将自身配置为空闲状态，该布线细胞控制的所有交叉开关处于双向连通状态；解析接收的数据获得解析信息，并根据解析信息计算线网弯折方向；根据弯折方向控制交叉开关的状态，每次线网布线均通过三次弯折控制三个交叉开关的状态，以打通所述功能细胞到目标节点所对应功能细胞之间的单向通信路径；

所有布线细胞并行工作，直至所有线网布线完成，向所述功能细胞发送布线完成信号；

所述功能细胞接收布线完成信号并打开可编程模块的输入输出引脚。

7.如权利要求6所述的仿生自修复硬件分布式全局动态布线方法，其特征在于，所述布线细胞解析数据获得解析信息，并根据解析信息计算线网弯折方向；根据弯折方向控制交叉开关的状态，每次线网布线均通过三次弯折控制三个交叉开关的状态，以打通所述功能细胞到目标节点所对应功能细胞之间的单向通信路径的步骤包括：

控制输出交叉开关的布线细胞收到功能细胞发出的请求信号时，回复允许信号并将自身状态配置为工作状态；接收发出请求信号的功能细胞发送的数据包，解析数据包获得解析信息；

根据解析信息计算线网弯折方向；

查询线网当前长纵线上各交叉开关状态，在交叉开关处于空闲状态时，根据上述弯折方向配置该交叉开关状态，并向控制连接交叉开关的布线细胞发出请求信号；

该布线细胞收到请求信号时，回复允许信号并将自身状态配置为工作状态；接收发出请求信号的布线细胞发送的数据包，解析数据包获得解析信息；

根据解析信息计算线网弯折方向；

查询线网当前长横线上各交叉开关状态，在交叉开关处于空闲状态时，根据上述弯折方向配置该交叉开关状态，并向控制输入交叉开关的布线细胞发出请求信号；

所述布线细胞收到请求信号时，回复允许信号并将自身状态配置为空闲状态；在收到布线完成信号时结束任务；

所述功能细胞在接收到布线完成信号时，打开可编程模块的输入引脚及输出引脚。

8.如权利要求7所述的仿生自修复硬件分布式全局动态布线方法，其特征在于，控制连接同一功能细胞的输出交叉开关所在长纵线上的所有输出交叉开关的布线细胞为输出细胞簇；控制连接同一功能细胞的输入交叉开关所在长横线上的所有输入交叉开关的布线细胞为输入开关布线细胞；控制连接长纵线与长横线的连接交叉开关的布线细胞为连接细胞簇；

所述根据解析信息计算线网弯折方向的步骤包括：

与功能细胞输出引脚相连的输出细胞簇在收到来自该功能细胞的请求信号时；在发出请求信号的功能细胞的行编号小于或等于目标节点行编号时，向下转折；否则向上转折；

连接细胞簇在收到所述输出细胞簇的请求信号时；在发出请求信号的输出细胞簇的列编号小于或等于目标节点列编号时，向右转折；否则向左转折；

输入开关布线细胞在收到所述连接细胞簇的请求信号时；在输入开关布线细胞的编号与目标节点编号相同时，向上转折。

9.如权利要求8所述的仿生自修复硬件分布式全局动态布线方法，其特征在于，所述查询线网当前连线上各交叉开关状态的步骤包括：

在长横线或长纵线上存在至少一个交叉开关被占用时，将所述长横线或纵横线的状态配置为占用状态；否则配置为空闲状态；

通过配置两位比特位以形成对所述交叉开关的状态进行控制的状态控制信号；所述交叉开关在纵横均连通时处配置为00，在纵横及左右均阻断时配置为11、在左下、右上连通时配置为10，在左上、右下连通时均配置为01；

所述输出交叉开关的位置坐标用输出细胞簇所在的列编号、长纵线位置编号、开关位置编号表示；所述连接交叉开关的位置坐标用连接细胞簇所在的行编号、长横线位置编号、开关位置编号表示；所述输入交叉开关的位置坐标用输入开关布线细胞所连接的功能细胞的编号、短竖线位置编号、开关位置编号表示。

10.如权利要求9所述的仿生自修复硬件分布式全局动态布线方法，其特征在于，所述在处于空闲状态时，根据上述弯折方向配置该交叉开关状态的步骤包括：

在与功能细胞相邻的输出细胞簇中选择空闲状态的长纵线作为列向通道；在请求信号来自输出交叉开关左侧并需要向上转折时，配置为01；在请求信号来自交叉开关左侧并需要向下转折时，配置为10；

在行编号与目标节点行号相同的连接细胞簇中选择空闲状态的长横线作为行向通道；在请求信号来自连接交叉开关的上侧并需要向左转折时，配置为01；在请求信号来自连接交叉开关的上侧并需要向右转折时，配置为10；在请求信号来连接交叉自开关下侧并需要向右侧转折时，配置为01态；在请求信号来自连接交叉开关下侧，需要向左侧转折时，配置为10；

在布线编号与目标节点编号相同的输入布线细胞中选择空闲状态的输入交叉开关，在请求信号来自输入交叉开关的左侧并向上转折时，配置为01；在请求信号来自输入交叉开关的右侧并向上转折时，配置为10。

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