一种自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计制造技术

本发明专利技术提供一种自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计，具体包括以下步骤：建立仿生自修复硬件故障重构模型：将目标功能电路映射到仿生自修复硬件上；对映射后的仿生自修复硬件进行故障检测，直至检测出故障细胞nf；全局搜索仿生自修复硬件，寻找距离故障细胞nf最近的空闲细胞nt，将故障细胞nf关联的功能节点vf迁移到空闲细胞nt，此时的配置方案称为初始可行解x0；利用变邻域搜索算法找出故障细胞nf的最优可行解xbest的配置方案。通过采用变邻域搜索算法设计了仿生自修复硬件重构机制，使其能够对故障重构过程进行优化，保证了重构电路的综合性能，最大限度的提高了空闲细胞资源利用率，同时兼顾了计算量与在线实现等要求。本发明专利技术应用于电子电路可靠性领域。

【技术实现步骤摘要】
一种自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计
本专利技术涉及电子电路可靠性领域，尤其涉及一种自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计。
技术介绍
仿生自修复硬件始于Mange等人借鉴多细胞生物体发育过程提出的一种新型现场可编程门阵列。其基本思想是将仿生机理应用于电子电路设计过程中，使电子电路能够像生物一样根据工作环境的变化自主地、动态地改变自身结构与参数以获得期望的性能，具有类似于生物的自适应、自修复等特性。仿生自修复硬件的最小结构功能单元是一种通用的可重构的电子细胞，细胞内包含配置寄存器，用来模拟生物细胞的基因组，记录细胞的配置信息，细胞具体功能由各自配置信息决定。仿生自修复硬件的整体功能则由各个细胞协同完成。每个细胞包含一个细胞级自测试单元，当细胞发生故障时，故障细胞发出“出错”信号，触发细胞阵列实施在线重构。每个细胞重新选择配置信息，再分化为执行新功能的细胞，如果空闲细胞数目足够，原阵列的整体功能可保持不变。仿生自修复硬件重构机制主要研究仿生阵列出现故障后如何自动重构，进而实现功能恢复，常见的重构机制包括：列(行)移除机制、单细胞移除机制以及近邻替换机制。列(行)移除机制将故障细胞所在的列(行)全部替换，由右侧细胞依次代替完成其功能，最后一列工作细胞将由一列空闲细胞替换，该机制消耗一列细胞完成一个故障细胞修复，资源消耗大；单细胞移除机制中，当某细胞故障后，有空闲细胞一侧的工作细胞功能依次后移，从整体上看，故障细胞由一个空闲细胞代替，相比于列(行)移除机制，重构过程消耗的空闲细胞数量更少，但可能出现布线通道拥塞、单一线长过长等问题；近邻替换机制是在工作细胞的周围预先布置空闲细胞，工作细胞故障时，周围空闲细胞按照优先级对故障细胞进行替换，这类机制具体包括Szasz机制、Lala机制等，但若同一区域内出现多处故障，该机制失效。总体而言，传统的重构机制计算量小，易于实现，解决了仿生自修复硬件实时性的要求。但无法对重构电路进行优化，使得功能电路初始布局限制较多，设计灵活性不高；空闲细胞无法对任意位置故障细胞进行替换修复，资源利用率较低；重构过程无法兼顾电路线网长度，修复后电路时序特性下降。因此，需要对仿生自修复硬件故障重构机制进行改进，兼顾优化特性与实时特性，以便其能更好的解决实际问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计。能够有效的提升重构电路的综合性能，最大限度的提高了空闲细胞资源利用率。本专利技术采用的技术方案是：一种自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计，具体包括以下步骤：S1、建立仿生自修复硬件故障重构模型：将目标功能电路映射到仿生自修复硬件上；S2、对映射后的仿生自修复硬件进行故障检测，直至检测出故障细胞nf；S3、全局搜索仿生自修复硬件，寻找距离故障细胞nf最近的空闲细胞nt，将故障细胞nf关联的功能节点vf迁移到空闲细胞nt，此时的配置方案称为初始可行解x0；S4、利用变邻域搜索算法找出故障细胞nf的最优可行解xbest的配置方案。作为上述技术方案的进一步改进，步骤S1中，所述仿生自修复硬件故障重构模型通过图论建立，具体包括：构建目标功能电路：通过功能图表示目标功能电路GF＝(V,E)，具体包括功能节点vi∈V表示实现一部分目标电路的功能、有向边ei,j∈E表示功能节点vi输出数据到功能节点vj、vol(ei，j)表示功能节点vi到功能节点vj的通信流量。构建仿生自修复硬件：通过结构图表示仿生自修复硬件GS＝(N,L)，具体包括节点ni∈N表示可以完成特定功能的电子细胞、有向边li,j∈L代表细胞ni可以将数据直接传输给细胞nj、bw(li,j)代表了细胞ni和细胞nj之间的通信带宽。功能映射βf:V→N代表将功能图中的功能节点vi映射到结构图上成为结构图的细胞ni；通信映射βc:E→L代表将功能图中的有向边ei,j映射到结构图上成为结构图的有向边li，j、将功能图中的通信流量vol(ei，j)映射到结构图上成为结构图的通信带宽bw(li,j)。当细胞故障，需要重新建立功能映射与通信映射，仿生自修复硬件重构问题实际是一个优化问题：min(∑w(neti))w(neti)代表线网neti的资源开销，优化目标是减少阵列总体资源开销，同时还需要考虑阵列的功能节点约束条件以及通信约束条件，即对于任意功能图节点vi都有对应的无故障的电子细胞ni，对于任意数据流ei,j都能找到对应的通道li,j，任意通道上的数据流量不超过其通信带宽。作为上述技术方案的进一步改进，步骤S4具体包括：S41、初始化变邻域搜索系统的参数：最优可行解xbest＝x0、邻域参数k＝1、外循环次数cout＝1；S42、在xbest领域参数为k的邻域结构内进行局部搜索，求取最小资源开销变化值Δfmin以及此时的交换序列Smin，根据交换序列Smin生成最新解xmin；S43、判断Δfmin<0是否成立：若成立，则令xbest＝xmin、k＝1、cout＝cout+1，判断是否满足停机条件：cout＞cmax，其中cmax是最大外循环次数，若满足则输出循环迭代cmax次的xbest，若不满足则循环步骤S42、S43；若不成立，则令k＝k+1；判断是否满足停机条件：k＞kmax，其中kmax是最大邻域参数，若满足则直接输出xbest，若不满足则循环步骤S42、S43。作为上述技术方案的进一步改进，步骤S42具体包括：S421、初始化局部搜索参数：局部搜索计数值i＝1、最小资源开销变化值Δfmin＝0；S422、根据xbest邻域参数为k的邻域结构随机生成一组交换序列Sk，根据交换序列Sk生成最新解xnow，并计算资源开销变化值Δfnow，其中交换序列的定义为：任意一对无故障电子细胞(ni，nj)交换其功能配置信息(ci，cj)，称为一次交换，二元组S(ni，nj)称为交换因子。若xi变换成另一个解xj，需要经过k次交换，交换因子按照先后顺序排列成序列称为交换序列{S(ns0,nt0),S(ns1,nt1),...,S(nsk,ntk)}；S423、判断Δfnow<Δfmin，若成立则令Δfmin＝Δfnow，并存储交换序列Smin＝Sk后进入步骤S424，否则直接进入步骤S424；S424、令i＝i+1后判断i≤imax是否成立，其中imax为局部搜索上限，若成立则重复步骤S422、S423，若不成立则输出Δfmin以及Smin。作为上述技术方案的进一步改进，步骤S422中，随机生成的交换序列中的第一个交换因子包含当前时刻故障功能节点vf所对应的电子细胞nt，即ns0＝nt。作为上述技术方案的进一步改进，步骤S422中，所述计算资源开销变化值Δfnow具体包括：S4221、初始化参数资源开销变化值Δfnow＝0，线网编号neti＝0；S4222、判断线网编号neti＜netmax是否成立，netmax是最大线网编号，如果成立则进入步骤S4223，否则进入步骤S4225；S4223、判断线网neti中是否存在调整位置的节点，如果成立，则进入步骤S4224，否则进入步骤S4225；S4224、将当前线网长度wc(neti)赋给历史值wh(neti)＝wc(neti)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、建立仿生自修复硬件故障重构模型：将目标功能电路映射到仿生自修复硬件上；S2、对映射后的仿生自修复硬件进行故障检测，直至检测出故障细胞nf；S3、全局搜索仿生自修复硬件，寻找距离故障细胞nf最近的空闲细胞nt，将故障细胞nf关联的功能节点vf迁移到空闲细胞nt，此时的配置方案称为初始可行解x0；S4、利用变邻域搜索算法找出故障细胞nf的最优可行解xbest的配置方案。

【技术特征摘要】
1.一种自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、建立仿生自修复硬件故障重构模型：将目标功能电路映射到仿生自修复硬件上；S2、对映射后的仿生自修复硬件进行故障检测，直至检测出故障细胞nf；S3、全局搜索仿生自修复硬件，寻找距离故障细胞nf最近的空闲细胞nt，将故障细胞nf关联的功能节点vf迁移到空闲细胞nt，此时的配置方案称为初始可行解x0；S4、利用变邻域搜索算法找出故障细胞nf的最优可行解xbest的配置方案。2.根据权利要求1所述自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计，其特征在于，步骤S1中，所述仿生自修复硬件故障重构模型通过图论建立，具体包括：构建目标功能电路：通过功能图表示目标功能电路GF＝(V,E)，具体包括功能节点vi∈V表示实现一部分目标电路的功能、有向边ei,j∈E表示功能节点vi输出数据到功能节点vj、vol(ei,j)表示功能节点vi到功能节点vj的通信流量；构建仿生自修复硬件：通过结构图表示仿生自修复硬件GS＝(N,L)，具体包括节点ni∈N表示可以完成特定功能的电子细胞、有向边li,j∈L代表细胞ni可以将数据直接传输给细胞nj、bw(li,j)代表了细胞ni和细胞nj之间的通信带宽。功能映射βf:V→N，将功能图中的功能节点vi映射到结构图上成为结构图的细胞ni；通信映射βc:E→L，将功能图中的有向边ei,j映射到结构图上成为结构图的有向边li,j、将功能图中的通信流量vol(ei,j)映射到结构图上成为结构图的通信带宽bw(li,j)。3.根据权利要求1或2所述自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计，其特征在于，步骤S4具体包括：S41、初始化变邻域搜索系统的参数：最优可行解xbest＝x0、邻域参数k＝1、外循环次数cout＝1；S42、在xbest领域参数为k的邻域结构内进行局部搜索，求取最小资源开销变化值Δfmin以及此时的交换序列Smin，根据交换序列Smin生成最新解xmin；S43、判断Δfmin<0是否成立：若成立，则令xbest＝xmin、k＝1、cout＝cout+1，判断是否满足停机条件：cout＞cmax，其中cmax是最大外循环次数，若满足则输出循环迭代cmax次的xbest，若不满足则循环步骤S42、S43；若不成立，则令k＝k+1；判断是否满足停机条件：k＞kmax，其中kmax是最大邻域参数，若满足则直接输出xbest，若不满足则循环步骤S42、S43。4.根据权利要求3所述自优化的仿生自修复硬件故障重构机制设计，其特征在于，步骤S42具体包括：S421、初始化局部搜索参数：局部搜索计数值i＝1、最小资源开销变化值Δfmin＝0；S422、根据xbest邻域参数为k的邻域结构随机生成一组交换序列Sk，根据交换序列Sk生成最新解xnow，并计算资源开销变化值Δfnow；S423、判断Δfnow<Δfmin，若成立则令Δfmin＝Δfnow，并存储交换序列Smin＝Sk后进入步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：李岳，钱彦岭，刘秀斌，王龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43