一种基于查找表配置位统计的部分三模冗余方法技术

本发明专利技术一种基于查找表配置位统计的部分三模冗余方法，包括步骤S1：将待冗余电路映射为k-输入查找表格式，读取待冗余电路的信息，建立电路拓扑结构数据库；步骤S2：对电路拓扑结构信息进行统计，并记录待冗余电路中每个节点的无关配置位信息；步骤S3：根据无关配置位个数，获取查找表的单粒子效应敏感性信息；步骤S4：从查找表的单粒子效应敏感性信息中提取单粒子翻转-敏感的查找表，并对单粒子翻转-敏感的查找表进行三模冗余处理，得到并根据冗余结果在每个冗余模块和非冗余模块之间插入表决器，构建具有抗单粒子效应能力的部分三模冗余电路。本发明专利技术能够极大地提高系统的可靠性，且可省掉全三模冗余电路约一半的硬件开销。

【技术实现步骤摘要】
一种基于查找表配置位统计的部分三模冗余方法
本专利技术涉及数字系统容错
，特别涉及可编程器件三模冗余技术中的硬件 开销减少方法。 技术背景 可编程器件（FPGA)具有开发周期短、成本低、灵活性高的特点而广泛应用于电子 系统设计中，基于静态随机存储器（SRAM)配置的FPGA芯片，其功能的实现完全依赖内部的 配置数据，根据现有文献和在轨飞行数据，SRAM型FPGA器件在空间辐射环境中主要是容易 受到单粒子翻转（Single Event Upset，SEU)的影响，因此基于SRAM的FPGA系统设计应重 点考虑单粒子翻转防护。 图la所示为待冗余电路构成示意图，图lb所示为全三模冗余电路构成示意图。 如图la示出的待冗余电路包含模块[、1^2、1\13，所述待冗余电路为二值逻辑的数字电路，则 待冗余电路模块M1、M2、M3输出的结果为逻辑0或逻辑1。模块Ml接收外部输入的多 个逻辑信号，模块Ml输出多个第一逻辑信号，模块M2接收多个第一逻辑信号，模块M2的输 出的多个第二逻辑信号传递给模块M3,模块M3的输出为待冗余电路的多个第三逻辑信号。 对待冗余电路进行全三模冗余后的电路如图lb所示，即将图la中的待冗余电路整个复制 两份，形成由三模块M1、M 2、M3组成三支路的并联结构，其中每个模块M3分别输出多个第三 逻辑信号，根据三个模块M3输出第三逻辑信号总数目设置相同总数目的表决器V，表决器V 分别接收三个模块M3输出总数目的第三逻辑信号，每个表决器V对三个模块M3输出的第 三逻辑信号根据少数服从多数的原则进行表决，并判断出第三逻辑信号为全相同的逻辑 值，判断出第三逻辑信号为两个相同的逻辑值，因此当某个冗余模块被打翻表决器V依然 能够输出正确的结果。 三模冗余是目前最常用的容错技术，由于其可靠性被广泛应用在空间系统中。该 方法将原始电路复制三份，当其中一个电路发生错误时还可以通过比较输出正确的结果。 当两个模块同时出错时表决器将无法判决正确结果，因此针对SRAM型FPGA的三模冗余技 术一般配合定时刷新技术使用，可以有效地保证系统安全稳定运行。 但三模冗余技术存在电路开销过大的问题，完全的三模冗余电路会使电路开销达 到冗余之前的200 %甚至更多，而具体应用中考虑到功率和体积的限制应尽量减少硬件开 销。针对电路不同部分对单粒子效应的敏感性，选择性地对电路部件进行部分三模冗余可 以适当减少开销，部分三模冗余技术是以牺牲电路可靠性为代价的，硬件开销的节省相应 地会带来可靠性的降低。如何对电路进行取舍是部分三模冗余设计所要考虑的问题。 本领域的技术人员曾提出敏感门的概念，通过只冗余敏感门来节省电路开销，该 方法首先根据经验值为电路原始输入设定一个输入概率，再根据电路拓扑结构计算每个门 的输入概率，结合门电路的控制值特性可将每个门定义为单粒子事件敏感或单粒子事件不 敏感。将单粒子事件敏感的门冗余后插入表决器再与单粒子事件不敏感门构成原来的电路 功能，然后再通过FPGA综合工具将其映射为查找表结构。 由于现有技术的敏感性是根据门级电路结构和输入概率计算的，其映射成基于查 找表的FPGA结构后容错效果和开销节省都大打折扣。 ' 一
技术实现思路
(一）解决的技术问题 为了解决现有技术的问题，本专利技术目的在于寻找一种可以直接在杳找表申路模型 上操作并且不依赖于电路输入的部分三模冗余方法，具有十分深远的意义f (二）技术方案 ^ 本专利技术提供一种基于查找表配置位统计的部分三模冗余方法，包括步骤如下： 步骤S1 :将待冗余电路映射为k-输入查找表格式，读取待冗余电路的信息，建立 电路拓扑结构数据库，所述查找表是FPGA中的查找表； J 步骤S2:对电路拓扑结构数据库的电路拓扑结构信息进行统计，并记录电路拓扑 结构数据库中待冗余电路中每个节点的无关配置位信息； 步骤S3 :根据无关配置位个数，获取查找表的单粒子效应敏感性信息； 步骤S4 :从查找表的单粒子效应敏感性信息中提取单粒子翻转-敏感的查找表， 并对单粒子翻转-敏感的查找表进行三模冗余处理，得到并根据冗余结果在每个冗余模块 和非冗余模块之间插入表决器，构建具有抗单粒子效应能力的部分三模冗余电路。 (三）有益效果 本专利技术采取以上技术方案后，相对于现有技术具有以下优点：D由于本专利技术将电 路中单粒子翻转-敏感查找表进行了三模冗余，因此能够有效提高电路抗单粒子效应能 力，延长电路的平均无故障时间。2)本专利技术的部分三模冗余容错方法与全三模冗余容错方 法相比，本专利技术通过计算查找表的无关配置位，有针对性地选择需要进行三模冗余的查找 表，在一定程度上保障SRAM型FPGA电路的可靠性，能大大节省电路开销。3)本专利技术所采用 的窗口方法能够在较短的时间内得到查找表的大部分无关配置位，且所得集合是整个电路 的无关配置位集合的子集，即整个电路无关配置位的下确界。 【附图说明】 图la和图lb为待冗余电路和全三模冗余电路构成示意图； 图2为本专利技术基于查找表配置位统计的部分三模冗余方法的流程图； 图3为本专利技术方法实现一种部分三模冗余电路结构图； 图4为待冗余电路查找表级电路结构图； 图5为本专利技术所用实施例部分冗余后的查找表级电路结构图； 图6为本专利技术所用查找表无关配置位计算方法的工作流程图； 图7为本专利技术所用窗口划分方法流程图； 图8为本专利技术所用窗口划分方法示意图； 图9为本专利技术所用无关配置位查找方法流程图； 图10为本专利技术提供的单粒子事件仿真方法流程图。 【具体实施方式】 为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本专利技术做进一步详细说明。 本专利技术部分二模冗余方法根据查找表无关配置位的个数定义单粒子翻转-敏感 查找表和单粒子翻转-不敏感查找表，并只冗余单粒子翻转-敏感查找表。所述部分三模 冗余系统包含二模冗余部分和非三模冗余部分，其中：三模冗余部分通过将电路中的单粒 子翻转-敏感查找表复制两份并在输出处插入多数表决器构成；非三模冗余部分由电路中 的单粒子翻转-不敏感查找表构成；三模冗余部分和非三模冗余部分的连接保持原始电路 的拓扑结构，所设计的部分三模冗余电路能保持原始电路功能不变。 如图2示出本专利技术基于查找表配置位统计的部分三模冗余方法的流程图，使用本 方法对FPGA电路进行部分三模冗余实施例的操作包括如下的步骤：步骤S1 :使用美国加州 大学洛杉矶分校提供的工具RASP将待冗余电路映射为卜输入查找表格式，读取该待冗余 电路信息，建立电路拓扑结构数据库，所述查找表是FPGA中的一种资源，用于实现组合逻 辑和时序逻辑。步骤S2 :对电路拓扑结构数据库的电路拓扑结构信息进行统计，并记录电 路拓扑结构数据库中待冗余电路中每个节点的无关配置位信息；根据电路拓扑结构对节点 进行划分，获得节点窗口，再根据节点窗口信息判断是否对无关配置位进行计算，若窗口的 叶子节点数满足小于叶子节点最大值Lmax时，则计算该节点的无关配置位的个数并记录； 若窗口的叶子节点数不满足小于最大值Lmax时，则将该节点的无关配置位个数记为〇。节 点无关配置位个数计算方法为：用穷举的方法为窗口本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于查找表配置位统计的部分三模冗余方法，包括步骤如下：步骤S1：将待冗余电路映射为k‑输入查找表格式，读取待冗余电路的信息，建立电路拓扑结构数据库，所述查找表是FPGA中的查找表；步骤S2：对电路拓扑结构数据库的电路拓扑结构信息进行统计，并记录电路拓扑结构数据库中待冗余电路中每个节点的无关配置位信息；步骤S3：根据无关配置位个数，获取查找表的单粒子效应敏感性信息；步骤S4：从查找表的单粒子效应敏感性信息中提取单粒子翻转‑敏感的查找表，并对单粒子翻转‑敏感的查找表进行三模冗余处理，得到并根据冗余结果在每个冗余模块和非冗余模块之间插入表决器，构建具有抗单粒子效应能力的部分三模冗余电路。

【技术特征摘要】
1. 一种基于查找表配置位统计的部分三模冗余方法，包括步骤如下： 步骤S1 :将待冗余电路映射为k-输入查找表格式，读取待冗余电路的信息，建立电路 拓扑结构数据库，所述查找表是FPGA中的查找表； 步骤S2 :对电路拓扑结构数据库的电路拓扑结构信息进行统计，并记录电路拓扑结构 数据库中待冗余电路中每个节点的无关配置位信息； 步骤S3 :根据无关配置位个数，获取查找表的单粒子效应敏感性信息； 步骤S4 :从查找表的单粒子效应敏感性信息中提取单粒子翻转-敏感的查找表，并对 单粒子翻转-敏感的查找表进行三模冗余处理，得到并根据冗余结果在每个冗余模块和非 冗余模块之间插入表决器，构建具有抗单粒子效应能力的部分三模冗余电路。2. 如权利要求1所述的部分三模冗余方法，其特征在于，获得所述无关配置位信息的 步骤如下：根据电路拓扑结构对节点进行划分，获得节点窗口，再根据节点窗口信息判断是 否对无关配置位进行计算，若窗口的叶子节点数满足小于叶子节点最大值时，则计算该节 点的无关配置位的个数并记录；若窗口的叶子节点数不满足小于最大值时，则将该节点的 无关配置位个数记为0。3. 如权利要求1所述的部分三模冗余方法，其特征在于，节点无关配置位个数计算方 法为：用穷举的方法为窗口生成测试集，向窗口叶子节点施加该穷举测试集并逐一翻转节 点的每个配置位，观察窗口根节点输出是否变化；若翻转某配置位且遍历整...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑美松，王子龙，涂吉，王骏也，李立健，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11