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        新型可容錯(cuò)FPGA

        2015-08-02 11:07:11代雪峰趙以誠(chéng)
        微處理機(jī) 2015年6期
        關(guān)鍵詞:存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器重構(gòu)

        周 剛,代雪峰,趙以誠(chéng)

        (1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所,沈陽(yáng)110032;2.東北大學(xué)理學(xué)院物理系,沈陽(yáng)110004)

        新型可容錯(cuò)FPGA

        周 剛1,代雪峰2,趙以誠(chéng)1

        (1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所,沈陽(yáng)110032;2.東北大學(xué)理學(xué)院物理系,沈陽(yáng)110004)

        SRAM型FPGA具有設(shè)計(jì)周期短、開(kāi)發(fā)成本低和可重配置等特性,在大型電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。伴隨SRAM型FPGA在重要領(lǐng)域的深入應(yīng)用,對(duì)其可靠性提出了更高要求。在深入剖析FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對(duì)SRAM型FPGA的故障類型進(jìn)行了總結(jié)[1]。針對(duì)SRAM單元軟錯(cuò)誤造成的FPGA芯片錯(cuò)誤,提出了一種嵌入高可靠CPU和配置存儲(chǔ)器,通過(guò)重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線可修復(fù)的新型可容錯(cuò)FPGA結(jié)構(gòu)。

        現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列;軟錯(cuò)誤;可重構(gòu);可容錯(cuò);靜態(tài)存儲(chǔ)器;刷新[2]

        1 引 言

        FPGA從民用到軍用,在汽車、工業(yè)控制、航天航空等多個(gè)領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色,成為眾多系統(tǒng)的核心元件,同時(shí)FPGA的可靠性也受到了大家越來(lái)越多的關(guān)注。本文著眼于SRAM型FPGA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),針對(duì)容易發(fā)生的SRAM單元軟錯(cuò)誤,結(jié)合可重構(gòu)FPGA技術(shù)和錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)技術(shù),提出了一種嵌入高可靠CPU模塊,結(jié)合可編程模塊,錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)重構(gòu)接口和配置存儲(chǔ)器模塊的新型可容錯(cuò)FPGA結(jié)構(gòu),并對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

        2 SRAM單元軟錯(cuò)誤對(duì)SRAM型FPGA的影響

        SRAM型FPGA電路除了觸發(fā)器、鎖存器等寄存器結(jié)構(gòu)[4]外,還擁有大量的SRAM單元,容易受到外界影響產(chǎn)生軟錯(cuò)誤,常見(jiàn)的軟錯(cuò)誤造成的影響主要有以下兩個(gè)方面:

        (1)作為配置存儲(chǔ)單元的SRAM單元的電平發(fā)生變化,造成邏輯功能錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)傳輸路徑錯(cuò)誤。SRAM型FPGA通過(guò)配置片內(nèi)配置存儲(chǔ)單元實(shí)現(xiàn)不同的功能,用戶設(shè)計(jì)好的網(wǎng)表轉(zhuǎn)化為位流文件后通過(guò)編程下載到所有配置存儲(chǔ)單元從而控制相應(yīng)的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。配置存儲(chǔ)單元可用于控制形成不同的電路結(jié)構(gòu),如形成典型的查找表(LUT)[4]、D觸發(fā)器、鎖存器等電路;也可以用來(lái)配置可編程IO模塊,通過(guò)配置不同的存儲(chǔ)單元值實(shí)現(xiàn)不同的輸入/輸出方式和不同IO接口的電平標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù);同時(shí)配置存儲(chǔ)單元也可控制FPGA獨(dú)有的可編程布線通道上的開(kāi)關(guān),通過(guò)配置不同的數(shù)據(jù),控制數(shù)據(jù)通路的通斷。軟錯(cuò)誤引起的電平變化將會(huì)導(dǎo)致配置存儲(chǔ)單元的狀態(tài)發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變,例如從'0'變到'1'或從'1'變到'0'。從而引起所控制電路的邏輯錯(cuò)誤。如圖1所示,發(fā)生在查找表中的軟錯(cuò)誤導(dǎo)致邏輯功能紊亂。由LUT形成的函數(shù)發(fā)生器輸出值由O=A xor B xor C變成了O=(A xor B xor C)(A+B+~C)。

        圖1 SEU引起的一個(gè)三輸入查找表的邏輯錯(cuò)誤

        (2)SRAM單元構(gòu)成的分布式RAM和內(nèi)置的塊RAM可用于存儲(chǔ)用戶的初始數(shù)據(jù)和運(yùn)算數(shù)據(jù)。發(fā)生在RAM單元上的軟錯(cuò)誤可能會(huì)改變嵌入式塊RAM中的存儲(chǔ)值,造成RAM中存儲(chǔ)的程序代碼或數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤從而引起整個(gè)系統(tǒng)故障。

        從以上兩種情況的例子可以看出,SRAM單元軟錯(cuò)誤對(duì)系統(tǒng)可靠性帶來(lái)了非常不利的影響,所以亟需采取措施提高容錯(cuò)能力。目前人們主要采用可重構(gòu)FPGA技術(shù)通過(guò)動(dòng)態(tài)刷新的方式來(lái)提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力。

        3 可重構(gòu)FPGA技術(shù)

        可重構(gòu)系統(tǒng)的概念早在1960年就已經(jīng)提出來(lái),但由于沒(méi)有理想的可重構(gòu)器件等原因,這方面的研究一直沒(méi)有很大突破。1990年以來(lái),隨著大規(guī)??删幊唐骷﨔PGA的出現(xiàn),研制可重構(gòu)電子系統(tǒng)的硬件條件已基本具備,實(shí)現(xiàn)電路重構(gòu)的思想逐漸引起了學(xué)術(shù)界的注意,從而引發(fā)了對(duì)可重構(gòu)系統(tǒng)的研究熱潮。自從2000年以來(lái),基于FPGA的重構(gòu)尤其是可重構(gòu)計(jì)算在國(guó)際上得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究[5]。

        基于FPGA的可重構(gòu)技術(shù),就是利用FPGA可以多次重復(fù)編程配置的特點(diǎn),通過(guò)時(shí)分復(fù)用的方式利用FPGA內(nèi)部的邏輯資源,使在時(shí)間上離散的邏輯電路功能模塊能在同一FPGA中順序?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)[6]。

        按照實(shí)現(xiàn)重構(gòu)規(guī)模和區(qū)域的不同,可重構(gòu)FPGA可以分為全局重構(gòu)和局部重構(gòu)[7]。

        按照重構(gòu)的方式,系統(tǒng)重構(gòu)又可以分為靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)(Static Reconfiguration)和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)(Dynamic Reconfiguration)。

        靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)是指目標(biāo)系統(tǒng)的邏輯功能靜態(tài)重載,是只能在運(yùn)行前配置的系統(tǒng)。FPGA功能在外部邏輯的控制下,通過(guò)對(duì)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中不同的目標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)重新下載,實(shí)現(xiàn)芯片邏輯功能的改變。常規(guī)的SRAM型FPGA,只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)。

        動(dòng)態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)是指能在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)配置的可重構(gòu)系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的FPGA在外部邏輯控制下,可通過(guò)緩存邏輯對(duì)芯片邏輯進(jìn)行全局或局部的快速修改,同時(shí)控制重新配置的布局布線資源來(lái)加速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)[8]。

        4 新型可容錯(cuò)FPGA芯片結(jié)構(gòu)

        在可重構(gòu)FPGA技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一種新型可容錯(cuò)FPGA芯片結(jié)構(gòu),既可以避免動(dòng)態(tài)刷新的盲目性,減少軟硬件資源的浪費(fèi),還可以更加有效地解決sram型FPGA特定關(guān)鍵區(qū)域的軟錯(cuò)誤造成的邏輯和系統(tǒng)失效。如圖2所示,本結(jié)構(gòu)有以下一些特點(diǎn):

        該FPGA芯片主要由一個(gè)片上嵌入高可靠CPU模塊、可編程模塊、錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)重構(gòu)接口和配置存儲(chǔ)器模塊組成??删幊棠K負(fù)責(zé)用戶配置電路功能的實(shí)現(xiàn),基于SRAM的FPGA編程點(diǎn)控制,可動(dòng)態(tài)整體或局部重構(gòu);錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)重構(gòu)接口模塊負(fù)責(zé)錯(cuò)誤的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),具備配置數(shù)據(jù)回讀功能,并提供數(shù)據(jù)給CPU進(jìn)行運(yùn)算,在后續(xù)重構(gòu)的過(guò)程中負(fù)責(zé)具體實(shí)施;嵌入高可靠CPU模塊負(fù)責(zé)對(duì)錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)重構(gòu)接口報(bào)告的信息進(jìn)行處理,數(shù)據(jù)比較,分析,任務(wù)分派等,指揮錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)重構(gòu)接口實(shí)施局部重構(gòu)動(dòng)作;配置存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)不同位置的局部配置數(shù)據(jù)。

        新型可容錯(cuò)FPGA芯片能夠?qū)崟r(shí)或定時(shí)監(jiān)測(cè)FPGA內(nèi)部邏輯,偵測(cè)到功能發(fā)生錯(cuò)誤即配置數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí),即可自動(dòng)通過(guò)實(shí)時(shí)重構(gòu)的手段修復(fù)錯(cuò)誤。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),采用動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的可編程結(jié)構(gòu),同時(shí)采用監(jiān)測(cè)編程存儲(chǔ)點(diǎn)的方法檢測(cè)內(nèi)部錯(cuò)誤。FPGA在配置完成后,在不中斷當(dāng)前邏輯運(yùn)行的情況下,根據(jù)需要通過(guò)專用接口模塊讀回配置存儲(chǔ)器中的內(nèi)容,并將其與配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(非易失存儲(chǔ)器)中存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)位流比較,再將讀回的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,就進(jìn)入空閑狀態(tài),如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,根據(jù)內(nèi)部指令選擇全局重構(gòu)或局部重構(gòu),并執(zhí)行包括局部重構(gòu)模塊的尋址,握手信號(hào)等動(dòng)作,修復(fù)錯(cuò)誤。

        新型可容錯(cuò)FPGA芯片由于采用嵌入高可靠CPU控制的模式,工作不依賴于PC機(jī)或外部控制器等片外資源,能夠保證在線重構(gòu)的實(shí)時(shí)性和可靠性,降低了用戶使用難度和整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的新型可容錯(cuò)FPGA芯片結(jié)構(gòu),使用內(nèi)嵌的高可靠CPU和配置存儲(chǔ)器可以自主對(duì)發(fā)生在FPGA配置邏輯中的軟錯(cuò)誤進(jìn)行監(jiān)測(cè)和修復(fù)。該芯片已在中芯國(guó)際0.18微米工藝上流片,封裝后經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了不依賴外接控制系統(tǒng)即可具有針對(duì)軟錯(cuò)誤的容錯(cuò)能力的單片F(xiàn)PGA系統(tǒng)。

        [1] F.L.Kastensmidt,L.Carro,R.Reis,F(xiàn)ault-Tolerance Techniques for SRAM-based FPGAs[C].Vishwani D. Agrawal Springer,Netherlands,PP.183,Sept.2006.

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        Steve Kilts,ADVANCED FPGA DESIGN[C].Beijing:Chinamachine press,2009.

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        [8] C.Bolchini,D.Quarta,and M.Santambrogio,SEU Mitigation for SRAM-Based FPGAs through Dynamic Partial Reconfiguration[C].In Proc.ACM/IEEE Great Lake Symposium on VLSI,PP:55-60,Mar.2007.

        A Novel Fault-Tolerant FPGA

        Zhou Gang1,Dai Xuefeng2,Zhao Yicheng1
        (1.The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China;2.Physics Department,Collage of Sciences,Northeast University,Shenyang 110004,China)

        SRAM-based FPGAs,with the characteristics of short design period,low development cost,etc,are applied extensive to the large electronics system.Accompanywith a FPGA's deep application in important field,higher request is brought for its reliability.Based on analysis to FPGA inner part structure,the failure type of SRAM-based FPGAs[1]is concluded.Aiming at FPGA chip failure brought by SRAM cell soft error,a novel fault-tolerant FPGA architecture,embedding a high-reliable CPU and configuration memory,which can perform in-system self-repair through reconfiguration technology.

        Field Programmable Gate Array;soft error;Reconfigurable;Fault-tolerant;;SRAM;Scrubbing[2]

        10.3969/j.issn.1002-2279.2015.06.005

        TN911

        A

        1002-2279(2015)06-0019-03

        周剛(1978-),男,遼寧省法庫(kù)縣人,高級(jí)工程師,主研方向:集成電路設(shè)計(jì),目前關(guān)注領(lǐng)域?yàn)榧呻娐房煽啃栽O(shè)計(jì)、可編程器件。

        2015-03-07

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