一种基于细胞阵列电路的FPGA自修复结构及其容错方法技术

本发明专利技术公开了一种基于细胞阵列电路的FPGA自修复结构，该自修复结构结合了胚胎电子硬件分布式自主容错的多细胞阵列电路特点和FPGA动态部分重构技术，通过分析两种细胞电路的自修复原理，本发明专利技术提出了基于该自修复结构的容错方法，这种容错方法能够有效提高系统可靠性、降低资源利用率和降低底层控制配置过程的复杂度，另外，本发明专利技术还基于功能细胞均匀功能分配特点给出了功能细胞的优化设计方法和电路分解方法，从而能够为FPGA芯片的设计开发人员提供了一种通用性的FPGA自修复设计方法。

A self repairing structure and fault tolerance method of FPGA based on cell array circuit

【技术实现步骤摘要】
一种基于细胞阵列电路的FPGA自修复结构及其容错方法
本专利技术属于FPGA容错设计
，涉及一种具有分布式电路布局特点，能够自主检测并修复故障的FPGA系统设计结构和基于该结构的FPGA容错方法。
技术介绍
随着数字系统设计的规模不断扩大，芯片集成度不断提高，电子设备在运行过程中由于内外部环境的变化，系统故障率也随之提高。同时由于电子系统的日渐复杂化和高度集成化，要控制系统底层的动态过程非常困难，特别是对各模块协同工作的电子系统，系统的可控性和可靠性都会降低。高度集成化和底层控制过程复杂化导致电子系统在生命周期内发生故障的可能性越来越大，尤其是在恶劣工作环境，如航空航天、深海探测等领域，对电子系统可靠性要求越来越高。不同于地面环境，由于缺少地球磁场和大气层的保护，空间中的辐射和高能粒子对电子系统有着致命的威胁，航空航天领域中电子系统对可靠性要求更高。空间辐射对数字电路的影响主要体现为CMOS电路的影响，表现形式主要为：单粒子效应(SingleEventEffect，SEE)和总剂量效应(TotalIonizingDose，TID)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于细胞阵列电路的FPGA自修复结构，应用于FPGA系统容错设计中，其特征在于：包括FPGA逻辑电路、处理器硬件系统和外部配置存储器/n所述FPGA逻辑电路包括功能细胞、控制细胞、配置信息传输模块和连通FPGA架构与外部处理器的内部配置接口；/n所述功能细胞为分布式布局在FPGA架构底层的可重构区域，用于放置实现逻辑功能的子模块，且每个功能细胞均包括多个功能分子，多个所述功能分子均具有相同逻辑功能并使用不同底层硬件资源，且同一时刻每个功能细胞中只有一个功能分子工作，其他功能分子以配置信息形式保存于外部配置存储器中；/n所述控制细胞，用于负责接收功能细胞的故障信号，并根据功能细胞的工作状...

【技术特征摘要】
1.一种基于细胞阵列电路的FPGA自修复结构，应用于FPGA系统容错设计中，其特征在于：包括FPGA逻辑电路、处理器硬件系统和外部配置存储器
所述FPGA逻辑电路包括功能细胞、控制细胞、配置信息传输模块和连通FPGA架构与外部处理器的内部配置接口；
所述功能细胞为分布式布局在FPGA架构底层的可重构区域，用于放置实现逻辑功能的子模块，且每个功能细胞均包括多个功能分子，多个所述功能分子均具有相同逻辑功能并使用不同底层硬件资源，且同一时刻每个功能细胞中只有一个功能分子工作，其他功能分子以配置信息形式保存于外部配置存储器中；
所述控制细胞，用于负责接收功能细胞的故障信号，并根据功能细胞的工作状态信息向配置信息传输模块发送自修复控制信号；
所述配置信息传输模块，用于根据接收到的自修复控制信号，将所需功能分子的配置信息从外部配置存储器传输并配置到FPGA的内部配置接口；
所述内部配置接口，用于将功能分子配置信息写入内部配置控制寄存器中；
所述处理器硬件系统，包括一个处理器硬核和存储控制器，用于传输部分位流文件；
所述外部配置存储器，用于存放包括功能分子配置信息的部分位流文件。


2.根据权利要求1所述的一种基于细胞阵列电路的FPGA自修复结构，其特征在于：所述控制细胞布局在FPGA架构底层不同的物理区域上，其包括具有相同的控制逻辑功能的工作控制细胞和空闲控制细胞，所述空闲控制细胞用于在工作控制细胞发生故障时，被激活代替故障细胞成为新的工作控制细胞；
在所述FPGA逻辑电路中增加用于接收控制细胞的故障信号，并根据故障信号将故障细胞切换成空闲控制细胞的辅助重布线模块，所述辅助重布线模块主要由多路选择器电路构成。


3.基于权利要求1所述的一种基于细胞阵列电路的FPGA自修复结构的自修复方法，其特征在于：包括以下步骤：
功能细胞进行自身内部故障检测，获得故障功能细胞并将其对应的故障信号传输给对应控制细胞；
控制细胞根据接收到的故障信号和对应故障功能细胞的工作状态信息计算得到需要用于修复的功能分子配置，并在计算完成后将自修复控制信号发送给配置信息传输模块；
配置信息传输模块根据接收到的自修复控制信号，将需要用于修复的功能分子的配置信息从外部配置存储器传输并配置到内部配置接口，完成对故障功能细胞的自修复。


4.基于权利要求3所述的自修复结构的容错方法，其特征在于：包括以下步骤：
引入故障类型评估时间和瞬时故障排除时间，所述故障类型评估时间为功能细胞从当次重配置修复结束后，到下一次故障发生时所经历的时间；所述瞬时故障排除时间为从当次功能细胞重配置修复结束后，到下一次故障发生时，能够判断该故障为瞬时故障的最短时间；
通过比较故障类型评估时间和瞬时故障排除时间，获取修复当前功能细胞发生的故障的修复方法；若故障类型评估时间不超过瞬时故障排除时间，则采用永久故障修复方法对当前故障进行修复；若故障类型评估时间超过瞬时故障排除时间，则采用瞬时故障修复方法对当前故障进行修复；所述瞬时故障修复方法为刷新正在工作的功能分子配置；所述永久故障修复方法为采用权利要求3所述的自修复方法，更换功能分子配置。


5.基于权利要求2所述的一种基于细胞阵列电路的FPGA自修复结构的自修复方法，其特征在于：包括以下步骤：
控制细胞进行自身内部故障检测，获得故障控制细胞并将其对应的故障信号和所控制的功能细胞的工作状态信息传输给辅助重布线模块；
辅助重布线模块根据接收到的故障信号，计算得到用于替换修复的空闲控制细胞；
辅助重布线模块激活空闲控制细胞并将故障控制细胞所控制的功能细胞的工作状态信息传输给空闲控制细胞；
辅助重布线模块切断对应的功能细胞及配置信息传输模块与故障控制细胞之间的信号连线，并将这些信...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁霄亮，张砦，黄莉莉，刘燕，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32