一種可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替代的冷三備份FPGA功能模塊自修復(fù)方法

黃莉莉，張砦，王濤，袁霄亮

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引言

宇宙強(qiáng)輻射環(huán)境下大量高能粒子受太陽(yáng)活動(dòng)的影響，引發(fā)單粒子效應(yīng)。近幾年，商用現(xiàn)貨FPGA由于性能高、成本低、開發(fā)周期短且不受國(guó)外進(jìn)口限制，被越來越多地應(yīng)用于航天電子設(shè)備中[1]，與空間級(jí)或軍用級(jí)的FPGA相比，商用FPGA的抗輻射能力較低，更容易發(fā)生瞬時(shí)故障和永久故障。瞬時(shí)故障由于并未對(duì)硬件電路造成損傷，可以通過重新上電或者系統(tǒng)復(fù)位等方式修復(fù)，因此稱為軟故障；永久故障則是物理?yè)p傷，無法通過重新上電等方法修復(fù)，因此又稱為硬故障。不同于地面環(huán)境，空間航天器在軌運(yùn)行時(shí)遠(yuǎn)程控制復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，難以及時(shí)人工維修，因此研究高可靠的FPGA系統(tǒng)自修復(fù)設(shè)計(jì)方法是提高商用SRAM型FPGA系統(tǒng)可靠性的有效途徑和發(fā)展方向。

目前，F(xiàn)PGA功能模塊故障自修復(fù)方法包括冗余技術(shù)、可重構(gòu)技術(shù)和糾錯(cuò)碼技術(shù)[2-3]。動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)通常只能修復(fù)軟故障，無法處理硬故障；冗余技術(shù)包括熱備份冗余和冷備份冗余，熱備份具有故障中斷時(shí)間短、容錯(cuò)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但是由于所有備份模塊均需同時(shí)工作，運(yùn)行功耗大；而冷備份的備份模塊上電無需立即運(yùn)行，雖然自修復(fù)中斷時(shí)間較之熱備份長(zhǎng)，但是隨著時(shí)鐘頻率的提高，故障的中斷時(shí)間會(huì)大大減小，同時(shí)冷備份冗余能夠降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗；糾錯(cuò)碼技術(shù)只能糾正有限位的錯(cuò)誤。因此，考慮資源消耗、運(yùn)行時(shí)的功耗以及修復(fù)的可靠性，通常將傳統(tǒng)硬件冗余技術(shù)和動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合[3-5]，并且大多采用FPGA底層可重構(gòu)區(qū)域間替代的冗余備份自修復(fù)方式[6-8]。這種自修復(fù)方式通常存在多個(gè)可重構(gòu)功能模塊，當(dāng)模塊間存在信號(hào)交互時(shí)，自修復(fù)系統(tǒng)需要在信號(hào)交互的各備份子模塊之間增加額外的輔助連線切換邏輯，通過輔助連線切換邏輯對(duì)不同的備份模塊進(jìn)行布線的選擇。容錯(cuò)系統(tǒng)越復(fù)雜，輔助連線切換邏輯就越復(fù)雜，占用硬件資源面積也就越大，同時(shí)輔助連線切換邏輯也容易受到單粒子效應(yīng)的影響發(fā)生故障，進(jìn)而導(dǎo)致FPGA故障率增加的同時(shí)可靠性降低。

為了提高功能模塊的資源利用率和可靠性，在對(duì)有信號(hào)交互的系統(tǒng)進(jìn)行容錯(cuò)時(shí)，減少或去除自修復(fù)結(jié)構(gòu)中的輔助連線切換邏輯，針對(duì)兩個(gè)動(dòng)態(tài)模塊中通用的布線邏輯進(jìn)行縮減并且進(jìn)行固定，只需生成要進(jìn)行替換的可重構(gòu)模塊，減少了大量冗余的輔助連線切換邏輯和配置信息的數(shù)量，降低了FPGA硬件資源消耗，提高了系統(tǒng)可靠性。

綜上，本文面向空間強(qiáng)輻射環(huán)境下商用SRAM型FPGA系統(tǒng)可靠性不足的問題，針對(duì)可重構(gòu)區(qū)域間替代的冷備份自修復(fù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致功能模塊硬件資源利用率低的問題，提出了一種可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替代的冷三備份FPGA功能模塊自修復(fù)方式，通過使用相同功能的配置信息對(duì)功能模塊內(nèi)的不同區(qū)域進(jìn)行重構(gòu)修復(fù)。為了實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的自修復(fù)方式，設(shè)計(jì)了一種冷三備份的DPR_O/TMR自修復(fù)結(jié)構(gòu)。相比其他現(xiàn)有的自修復(fù)結(jié)構(gòu)，DPR_O/TMR自修復(fù)結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步提高硬件利用率；同時(shí)為了保障可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的自修復(fù)方式的可靠性，利用冷三備份DPR_O/TMR自修復(fù)結(jié)構(gòu)對(duì)軟硬故障的處理進(jìn)行分析，給出一種軟硬故障分類處理的自修復(fù)策略，以提高不同軟故障比例空間環(huán)境下的可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)自修復(fù)方式的可靠性。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證明該自修復(fù)方式可行性和有效性，為SRAM型FPGA芯片的設(shè)計(jì)開發(fā)人員提供了一種通用性的FPGA系統(tǒng)自修復(fù)設(shè)計(jì)方法。

1 自修復(fù)方式與結(jié)構(gòu)

1.1 可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的自修復(fù)方式

由于SRAM型FPGA的可重構(gòu)特性，因此在同一個(gè)物理區(qū)域內(nèi)通過加載不同的配置信息可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，所以也將可重構(gòu)模塊稱為功能模塊。

在對(duì)FPGA系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行容錯(cuò)時(shí)，主流的冷備份自修復(fù)方法大多采用FPGA底層可重構(gòu)區(qū)域間替代的自修復(fù)結(jié)構(gòu)。這種方法在對(duì)有信號(hào)交互的功能模塊進(jìn)行容錯(cuò)時(shí)，需要在各子模塊之間增加額外的輔助連線切換邏輯資源。

如圖1(a)所示，系統(tǒng)功能模塊由存在信號(hào)交互的模塊A和模塊B共同實(shí)現(xiàn)，模塊A和模塊B通過重布線開關(guān)塊相互通信。這里的重布線開關(guān)塊即輔助連線切換邏輯，模塊A和模塊B分別位于可重構(gòu)區(qū)域RP1和RP2內(nèi)，可重構(gòu)區(qū)域RP3和RP4分別用于修復(fù)模塊A和模塊B，初始時(shí)為空區(qū)域；圖1(b)中，當(dāng)模塊A發(fā)生故障后，重布線開關(guān)塊迅速斷開開關(guān)k1，切斷模塊A和模塊B之間的連線；圖1(c)中，故障隔離后用模塊A的配置信息動(dòng)態(tài)重構(gòu)區(qū)域RP3并在重構(gòu)完成后閉合開關(guān)塊k3，建立可重構(gòu)區(qū)域RP2和RP3之間的通信連接；如圖1(d)所示，用空配置信息動(dòng)態(tài)重構(gòu)區(qū)域RP1，屏蔽故障區(qū)域RP1內(nèi)的故障影響。

圖1 可重構(gòu)區(qū)域間替代的冷備份自修復(fù)方法

這種方法的整個(gè)修復(fù)過程一共分為4步，分別是隔離故障—為替代區(qū)域配置功能—重建立區(qū)域間通信連接—屏蔽故障區(qū)域。在對(duì)大規(guī)模信號(hào)交互的功能模塊進(jìn)行容錯(cuò)時(shí)，輔助連線切換邏輯會(huì)更加復(fù)雜，占用硬件資源面積也更大，進(jìn)而導(dǎo)致FPGA的故障率增加可靠性降低。

本文針對(duì)有信號(hào)交互的功能模塊，提出了一種可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替代的冷備份自修復(fù)方法。如圖2(a)所示，模塊A和用于替代修復(fù)模塊A的區(qū)域都位于可重構(gòu)區(qū)域RP1內(nèi)，模塊A處于RP1的上半部分區(qū)域，下半部分為空區(qū)域，此時(shí)“A模塊+空模塊+連線c1”作為RP1的一套配置信息；模塊B同理，可重構(gòu)區(qū)域RP1和RP2之間連線c0固定。如圖2(b)所示，模塊A發(fā)生了故障。圖2(c)中通過使用“空模塊+A模塊+連線c3”配置信息動(dòng)態(tài)重構(gòu)區(qū)域RP1，迅速同時(shí)完成功能替代、故障屏蔽和連線切換。本文采用的可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替代的冷備份自修復(fù)方法無需增加額外的重布線開關(guān)邏輯塊，修復(fù)過程只需要1步完成，能夠有效降低FPGA硬件資源消耗，提高系統(tǒng)可靠性。

圖2 可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替代的冷備份自修復(fù)方法

1.2 DPR_O/TMR冷三備份自修復(fù)結(jié)構(gòu)

為了驗(yàn)證可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的自修復(fù)方式的可靠性，本文提出一種DPR_O/TMR冷三備份結(jié)構(gòu)。

DPR_O/TMR冷三備份功能模塊自修復(fù)結(jié)構(gòu)如圖3中右側(cè)虛線框內(nèi)所示。同一功能模塊(FCx)中的功能分子(FMx)實(shí)現(xiàn)相同邏輯功能但使用不同底層硬件資源，同一時(shí)刻每個(gè)功能模塊(FCx)只有一個(gè)功能分子(FMx)工作，即圖3中功能分子FM01，其他兩個(gè)功能分子FM02和FM03采用冷備份的方式，將其配置信息形式保存于外部配置存儲(chǔ)器中。

圖3 自修復(fù)系統(tǒng)功能模塊

針對(duì)DPR_O/TMR冷三備份的自修復(fù)結(jié)構(gòu)，其配置信息替換的方式如圖4所示。M0、M1、M2和M3分別為功能模塊(FC)的四套配置信息，控制電路會(huì)在自修復(fù)系統(tǒng)檢測(cè)出故障信號(hào)后，為功能模塊(FC)重新加載配置信息完成故障容錯(cuò)。其中M1、M2和M3為實(shí)現(xiàn)相同邏輯功能的配置信息，當(dāng)分別加載M1.bit、M2.bit和M3.bit 3套配置信息時(shí)，功能模塊中工作的功能分子分別為FM01、FM02和FM03。而M0為黑盒配置信息，當(dāng)加載M0.bit配置信息時(shí)，功能模塊中沒有工作的功能分子，實(shí)現(xiàn)對(duì)該功能模塊進(jìn)行邏輯功能屏蔽的效果。在同一時(shí)刻只有一套配置信息運(yùn)行，另外的兩份配置信息處于冷備份狀態(tài)。

圖4 功能模塊中的配置信息圖

根據(jù)以上的自修復(fù)結(jié)構(gòu)，本文采用軟故障修復(fù)方法通過使用正在工作的功能分子配置重構(gòu)功能細(xì)胞刷新修復(fù)故障。如圖5(a)所示，初始功能細(xì)胞中工作的功能分子為FM01，在圖5(b)中FM01發(fā)生了軟故障。因此，圖5(c)中控制細(xì)胞通過使用M1配置信息重構(gòu)功能細(xì)胞刷新修復(fù)了該軟故障。

硬故障修復(fù)方法則通過更換功能分子配置重構(gòu)功能細(xì)胞替代修復(fù)故障，當(dāng)無法再修復(fù)時(shí)，通過加載黑盒配置屏蔽故障。如圖5(d)所示，功能分子FM01發(fā)生了硬故障，圖5(e)中控制細(xì)胞通過使用M2配置信息重構(gòu)功能細(xì)胞替代修復(fù)了該硬故障。

圖5 軟/硬故障修復(fù)方法

2 物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

2.1 物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本節(jié)以Zynq系列SoC平臺(tái)為例，采用8位流水線加法器作為功能模塊，對(duì)本文提出的自修復(fù)方式和自修復(fù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

圖6所示為Xilinx Zynq系列開發(fā)板。圖中主要使用的硬件包括用于搭載自修復(fù)系統(tǒng)的Zynq SoC芯片、用于外部位流存儲(chǔ)的DDR3芯片和SD卡(初始位流加載)、用于故障注入和觀察各細(xì)胞狀態(tài)的矩陣鍵盤、用于觀察ILA監(jiān)測(cè)信號(hào)的JTAG接口和用于位流加載調(diào)試的UART接口。物理實(shí)驗(yàn)中，自修復(fù)系統(tǒng)的重構(gòu)時(shí)鐘頻率和ILA的工作頻率為100 MHz，工作時(shí)鐘頻率和ILA監(jiān)測(cè)時(shí)鐘頻率為50 MHz。

圖6 Xilinx Zynq系列SoC開發(fā)板

2.2 軟故障自修復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖7為軟故障自修復(fù)過程，該觀測(cè)窗口記錄了重構(gòu)修復(fù)起點(diǎn)附近的信號(hào)變化。

圖7 軟故障自修復(fù)過程實(shí)現(xiàn)圖

1)在第994個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，注入一個(gè)軟故障。

2)在第1 000個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)功能模塊FC3發(fā)出自檢測(cè)信號(hào)；第1 024個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，功能模塊輸出全為0的錯(cuò)誤信號(hào)。

3)第1 008個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，功能模塊檢測(cè)到發(fā)生故障后采用FM01刷新修復(fù)該故障。

4)第1 068個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，開始進(jìn)行傳輸配置位流，同時(shí)開始對(duì)重構(gòu)過程計(jì)時(shí)。

圖8為軟故障自修復(fù)完成時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，該觀測(cè)窗口記錄了重構(gòu)修復(fù)終點(diǎn)附近的信號(hào)變化。

圖8 軟故障自修復(fù)完成時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

①在第1 000個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，ILA捕獲到cap_req信號(hào)下降沿，標(biāo)志著重構(gòu)修復(fù)過程完成，通過repair_time信號(hào)可以看出整個(gè)重構(gòu)過程為381 μs。

②在第1 019個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，故障被消除，軟故障刷新修復(fù)完成。

2.3 硬故障自修復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖9為硬故障自修復(fù)過程，該觀測(cè)窗口記錄了重構(gòu)修復(fù)起點(diǎn)附近的信號(hào)變化。

圖9 硬故障自修復(fù)過程實(shí)現(xiàn)圖

1)在第939個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)完成了上一次故障自修復(fù)的執(zhí)行操作。

2)為了使該故障保持為一個(gè)硬故障，在第996個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到上一次自修復(fù)的完成信號(hào)，隨即再次注入一個(gè)故障。

3)在第1 020個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)FC3檢測(cè)出該故障。控制電路根據(jù)FTEF

4)第1 004個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，功能模塊檢測(cè)到發(fā)生故障并準(zhǔn)備采用FM02替代修復(fù)該故障。

5)第1 062個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，開始傳輸配置位流，同時(shí)開始對(duì)重構(gòu)過程計(jì)時(shí)。

圖10為硬故障自修復(fù)完成時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，該觀測(cè)窗口記錄了重構(gòu)修復(fù)終點(diǎn)附近的信號(hào)變化。

圖10 硬故障自修復(fù)完成時(shí)的監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

①在第1 000個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，ILA捕獲到cap_req信號(hào)下降沿，標(biāo)志著重構(gòu)修復(fù)過程完成，整個(gè)重構(gòu)過程為381 μs，傳輸配置位流75 742個(gè)字節(jié)。

②在第1 012個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，故障被消除，硬故障替代修復(fù)完成。

3 性能分析

本節(jié)從系統(tǒng)可靠性、硬件資源消耗、自修復(fù)時(shí)間消耗三個(gè)方面對(duì)可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的自修復(fù)方式進(jìn)行性能對(duì)比分析。

3.1 可靠性分析

可靠性是一種評(píng)估系統(tǒng)性能好壞的重要指標(biāo)，是指系統(tǒng)在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成預(yù)定功能的能力[9]。評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠性的定量測(cè)度稱為可靠度，可靠度指系統(tǒng)在t0時(shí)刻正常工作的條件下，在時(shí)間區(qū)間[t0,t]內(nèi)能正常工作的概率，常用R(t)表示。若一個(gè)模塊在正常生命期內(nèi)的失效率為常數(shù)λ，則它的可靠度為

R(t)=e-λt

(1)

假設(shè)該模塊在t時(shí)刻正常工作，則其在(t+Δt)時(shí)刻的可靠度為1-e-λt，當(dāng)Δt取值很小時(shí)，該公式可以化簡(jiǎn)為λΔt[10]。

對(duì)于一個(gè)可維修的系統(tǒng)，由于其修復(fù)時(shí)間相對(duì)于正常工作時(shí)間很短，因此系統(tǒng)的平均壽命可以用平均無故障間隔時(shí)間MTBF來表示，即可靠度R(t)的均值，表達(dá)式如下：

(2)

為了驗(yàn)證本文提出的可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換自修復(fù)設(shè)計(jì)方法的可靠性，以不同的自修復(fù)結(jié)構(gòu)對(duì)其可靠性進(jìn)行分析。

目前，針對(duì)結(jié)合動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)的三備份自修復(fù)結(jié)構(gòu)包括使用三個(gè)工作區(qū)域的熱三備份自修復(fù)結(jié)構(gòu)、使用兩個(gè)工作區(qū)域和一個(gè)空閑區(qū)域的冷三備份結(jié)構(gòu)，分別記為DPR_TMR、DPR_D/TMR以及本文提出的采用一個(gè)工作區(qū)域和兩個(gè)空閑區(qū)域結(jié)構(gòu)的DPR_O/TMR。三種自修復(fù)結(jié)構(gòu)如圖11所示，可以看出DPR_O/TMR可以修復(fù)兩次故障，系統(tǒng)仍然能正常工作，而DPR_D/TMR和DPR_TMR只能修復(fù)一次故障，當(dāng)?shù)诙喂收蠒r(shí)系統(tǒng)無法判斷出正確的結(jié)果。顯然，在不考慮容錯(cuò)模塊的差異性時(shí)，DPR_O/TMR的容錯(cuò)能力更強(qiáng)。

圖11 基于動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)的三備份自修復(fù)結(jié)構(gòu)圖

由于DPR_O/TMR的每一個(gè)工作模塊相對(duì)于DPR_D/TMR和DPR_TMR兩種方法需要自身具備故障自檢測(cè)設(shè)計(jì)，因此增加了一定的硬件資源，而DPR_D/TMR和DPR_TMR可以通過表決器或比較器實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)，無需在每個(gè)工作模塊中增加故障自檢測(cè)設(shè)計(jì)。

如圖12所示，為了能夠合理比較三種三備份自修復(fù)結(jié)構(gòu)的可靠性，將DPR_D/TMR和DPR_TMR也采用相同的具有自檢測(cè)設(shè)計(jì)的模塊作為容錯(cuò)對(duì)象，同時(shí)使用選擇器取代兩種結(jié)構(gòu)中的表決器和比較器，使三種自修復(fù)結(jié)構(gòu)具有相同的硬件資源消耗，并分析其可靠性。

圖12 等效后的三備份自修復(fù)結(jié)構(gòu)圖

考慮到不同的復(fù)雜環(huán)境下，軟故障和硬故障發(fā)生概率有很大差別，因此設(shè)置軟故障比例參數(shù)S(指在特定環(huán)境下，系統(tǒng)中發(fā)生的故障為軟故障的比例)。由于DPR刷新方法能夠有效勝任全部軟故障環(huán)境，因此幾種自修復(fù)結(jié)構(gòu)在全部軟故障環(huán)境下的可靠性相同。根據(jù)軟故障比例參數(shù)S，可以用λS表示錯(cuò)誤率中可以通過重構(gòu)修復(fù)的軟故障錯(cuò)誤率，λ(1-S)表示失效率中不可以通過重配置修復(fù)的硬故障錯(cuò)誤率。

基于馬爾可夫模型[11]，可以分別計(jì)算出本文功能模塊的DPR_O/TMR結(jié)構(gòu)與DPR_D/TMR、DPR_TMR自修復(fù)結(jié)構(gòu)及單模動(dòng)態(tài)部分刷新結(jié)構(gòu)的基于軟故障比例參數(shù)S的可靠度函數(shù)：

(3)

根據(jù)以上可靠度函數(shù)，以失效率λ=1×10-6h、系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)間tmax=107h、軟故障比例參數(shù)S∈[0,1]為例，繪制如圖13所示的可靠度R(t)隨軟故障比例S變化三維對(duì)比曲面圖(本刊為黑白印刷，如有疑問請(qǐng)咨詢作者)。3種自修復(fù)結(jié)構(gòu)的可靠度R(t)都隨S增大而提升，且DPR_O/TMR結(jié)構(gòu)的可靠度高于DPR_D/TMR和DPR_TMR，DPR_D/TMR的可靠度略高于DPR_TMR。

圖13 R(t)隨S變化三維對(duì)比曲面圖

進(jìn)一步分析不同軟故障比例S對(duì)系統(tǒng)可靠性MTBF的影響。由于S=1時(shí)，3種自修復(fù)結(jié)構(gòu)的可靠性都接近無窮大，因此分別計(jì)算出S∈[0,0.95]時(shí)3種自修復(fù)結(jié)構(gòu)的MTBF。如圖14所示，3種自修復(fù)結(jié)構(gòu)的MTBF都隨S增大而提升。相同S時(shí)，DPR_O/TMR的可靠性MTBF始終最高，DPR_D/TMR可靠性MTBF略高于DPR_TMR。當(dāng)S=0.95時(shí)，DPR_O/TMR系統(tǒng)的可靠性是DPR_D/TMR的1.5倍，是DPR_TMR的1.64倍，是動(dòng)態(tài)部分刷新的3倍。

圖14 MTBF隨S變化曲線圖

綜上所述，與現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法相比，DPR_O/TMR的結(jié)構(gòu)更好地適應(yīng)可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的自修復(fù)方式，與現(xiàn)有的方法相比，使可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的自修復(fù)方式可靠性相對(duì)達(dá)到最大。

3.2 硬件消耗分析

以8位流水線加法器為例，對(duì)采用可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)和可重構(gòu)區(qū)域間替代自修復(fù)方法的功能模塊進(jìn)行硬件資源消耗對(duì)比。

如表1所示，采用可重構(gòu)區(qū)域間替代方法的冷三備份(DPR_O/TMR)功能模塊自修復(fù)結(jié)構(gòu)資源消耗是原功能模塊的6.12倍，而采用可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替代方法的DPR_O/TMR自修復(fù)結(jié)構(gòu)資源消耗是原功能模塊的5.82倍，采用可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替代方法較可重構(gòu)區(qū)域間替代方法的硬件資源減少了7.48%。由此可見采用可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換修復(fù)的DPR_O/TMR方法較之可重構(gòu)區(qū)域間替換修復(fù)的DPR_O/TMR方法能夠有效減少硬件資源消耗。

表1 不同冷備份替代修復(fù)方法的硬件資源消耗

3.3 時(shí)間消耗分析

設(shè)系統(tǒng)的工作時(shí)鐘周期為Tclk，重構(gòu)時(shí)鐘周期為Treclk，配置位流的大小為Nbit(字節(jié))，則自修復(fù)系統(tǒng)功能模塊的故障修復(fù)時(shí)間為5Tclk+58Treclk+(Nbit/200)μs，本文物理實(shí)驗(yàn)中取Tclk=50 MHz，Treclk=100 MHz，位流的配置傳輸時(shí)間約為(Nbit/200)μs。若采用可重構(gòu)區(qū)域間替換的自修復(fù)方式所需要的部分配置位流大小Nbit=75 742個(gè)字節(jié)，計(jì)算出故障修復(fù)時(shí)間約為379.39 μs；若采用全局可重構(gòu)替換的自修復(fù)方式所需要的配置位流大小為Nbit=1 049 741個(gè)字節(jié)，計(jì)算出故障修復(fù)時(shí)間約為5 249.41 μs；而采用本文可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的冷備份自修復(fù)方式需要的部分配置位流大小Nbit=37 871個(gè)字節(jié)，可以計(jì)算出故障修復(fù)時(shí)間約為190.035 μs。因此采用本文方式較可重構(gòu)區(qū)域間替換的自修復(fù)方式時(shí)間消耗減少了1倍；較全局可重構(gòu)的自修復(fù)方式時(shí)間消耗減少了26.6倍。

在空天環(huán)境下，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，需要及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，使其恢復(fù)正常運(yùn)行。比如當(dāng)衛(wèi)星處于變軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，若系統(tǒng)發(fā)生故障不能及時(shí)恢復(fù)，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不可預(yù)估的后果。綜上分析，針對(duì)同樣大小粒度的功能模塊，本文提出的模塊自修復(fù)方式具有較小的自修復(fù)時(shí)間消耗，減少系統(tǒng)自修復(fù)的時(shí)間，提高系統(tǒng)的可靠性，給空天環(huán)境下實(shí)時(shí)運(yùn)行的航天設(shè)備提供自修復(fù)設(shè)計(jì)的通用性參考。

4 結(jié)語

1)提出了一種可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的自修復(fù)方式，設(shè)計(jì)了一種DPR_O/TMR自修復(fù)結(jié)構(gòu)，這種自修復(fù)結(jié)構(gòu)能夠更好地適應(yīng)可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的自修復(fù)方式，并且能夠進(jìn)一步減少資源的消耗；

2)為了保障可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替換的自修復(fù)方式的可靠性，研究了一種軟硬故障分類處理的FPGA系統(tǒng)自修復(fù)策略，以應(yīng)對(duì)空天環(huán)境下不同比例的軟硬故障；

3)從系統(tǒng)可靠性、時(shí)間消耗、硬件資源消耗三個(gè)方面進(jìn)行了性能分析，說明了本文可重構(gòu)區(qū)域內(nèi)替代的冷三備份FPGA功能模塊自修復(fù)方法的可行性與高效性。