关键字 |
| 容错系统,自我修复,干细胞,分化,现场可编程门阵列 |
介绍 |
| 电子系统提供了工具支持信息的快速处理和解释,进而使得一个戏剧性的影响我们的沟通能力,控制物理系统和理解我们周围的世界。随着VLSI芯片晶体管变得越来越小,今天比以往任何时候都更加复杂的数字系统。更大的复杂性和水平的提高电路的集成,导致设备的崛起晶体管计数和更小的特征尺寸。这增加了复杂性导致更多的相声,噪音,和其他来源的瞬态错误在正常操作。因此可靠性变得日益困难的问题。对于操作系统在恶劣和/或敌对的环境中,如卫星、飞机、核反应堆控制系统,即便是一个失败的事件可能导致巨大的损失和灾难性的影响。错误是不可避免的,他们发生在任何电子系统无论你多么小心地在设计和构建。和关键应用程序依靠更快和更强大的芯片,容错和自检机制必须建立在保证可靠运行。 |
| 一般来说,容错系统并不能保证降低成本,也涉及大量的电路故障的概率大大增加。引入容错单VLSI芯片一般来说,尤其是fpga,因此被认为太昂贵的商业可行性。然而,这种前景似乎正在改变。特别是作为将军,电路和fpga,变得越来越复杂,他们的收益率即。,the percentage of chips which exit the fabrication process without faults, is decreasing and chip manufacturers are becoming more and more interested in being able to produce chips capable of operating in the presence of faults. FPGAs are ideally suited for this kind of approach, as their regular structure allows for the possibility of reconfiguration, and some of the leading manufacturers are beginning to seriously consider the option of introducing fault tolerance in their circuits. Self-repair is a technique which achieves fault tolerance with a somewhat different approach. Rather than extracting the correct result from a faulty but redundant output, it aims at producing the correct output by removing the fault from the circuit. Since current technology does not allow the fault to be removed physically, self-repair relies on a reconfiguration of the circuit which reroutes the signals so as to avoid the faulty areas. This technique, while often capable of achieving considerable fault tolerance, with a relatively small amount of additional logic, is obviously more complex to implement, as it requires both the ability of identifying the exact location of a fault in the circuit and the presence of redundant logic capable of replacing the functionality of the faulty part of the circuit. These systems work in different way, where a faulty element can be replaced by a spare which, being identical, can take over its functionality. |
相关工作 |
| 在容错系统的开发的早期阶段,双模冗余(DMR)和三模冗余(咯)方法被引入[1]。这些技术并行运行相同的模块,因此故障模块可以通过比较输出相同的模块和投票的多数(咯)或通过使用一个额外的设备(DMR)。然而,这些方法有几个问题。模块的规模是如此庞大,很大一部分的电路必须更换即使一小部分模块故障。此外,冗余必须运行所有的时间,它只能覆盖错一次。 |
| P.K.提出的自愈体系结构拉拉[5],能够自我修复,灵感来源于人类的免疫系统。体系结构中的所有细胞都是可编程的,所以当任何功能细胞是错误的,选择一个合适的备用电池的输入错误的功能性细胞作为输入转移到选定的备用电池。另一个这样的系统称为Unitronics人工仿生原核基于阵列的系统,提出了一种多层分层架构[6],[14]。在线自我修复系统,通过引入一个低开销减少内存配置的新方法。流行的自我修复系统称为MUXTREE[7],[11]是一个数字电路转换成一个数组的细胞和细胞之间的初始连接信息编码基因在每个细胞。这些元素本身就是自测和自我修复的能力。胚胎学和电子结合形成一个叫做胚胎的新领域,提供自我修复的基础系统[12]。生物细胞携带遗传密码的整个系统,并分化根据系统中细胞的位置,胚胎组织自我修复电路与积木,有相同的结构,根据不同表达基因代码在每个块[3],[8]。这些自我修复电路也可以从故障中恢复的区分和隔离故障块备用(stem)基因相同的代码块之前持有的错误块[16]。 |
系统模型 |
| 在我们的身体细胞间通信的各种方法中,内分泌细胞交流是特别有趣的。基本上,一个内分泌细胞释放的激素信号内分泌细胞,和激素流经血管直到它绑定到目标细胞。虽然血只包含各种激素,靶细胞上的受体接收到选定的激素。内分泌细胞的特殊方法通信是基于一个特定的内分泌细胞分泌一种激素只有在收到另一个来自另一个内分泌细胞的激素。血管细胞之间的荷尔蒙。通过细胞凋亡功能的内分泌细胞死亡时,特殊的内分泌细胞通信保持激素交付由干细胞分化成细胞拥有相同的基因组的一部分死去的细胞。因此,除了自己的功能,内分泌细胞的基因组的细胞之间的连接信息。从生物内分泌系统获得的灵感在于高效、灵活的内分泌细胞间的通信机制。内分泌系统,通过激素内分泌细胞之间的信息交换,这形成了一个复杂的通信网络。这个网络的结构灵活和容易改变通过选择和调整激素用于每个内分泌细胞分泌和接待。 Even if an endocrine cell dies through apoptosis, a new endocrine cell having the same function of the dead cell is produced by differentiation and the overall communication network is recovered [2]. |
| 采用类似的机制的内分泌细胞通信电子电路[4],[9]小说连接体系结构设计,可以保持函数以及连接通过更换失效的模块有一个备用模块没有任何额外的重路由过程,从而简化了自我修复机制[10]。体系结构是由功能层和一层gene-control如图1所示。在电路分为功能层,LUT-based模块。在每个模块编码的数据组成的功能性和连接数据。因此,整个系统的功能和关系维护,只需表达相同的编码数据备用(stem)模块,而线路架构连接正确后分配给备用模块编码的数据正确。WC周围是四个相邻的北/备用电池,南/下/左/右和西部东部。生成故障信号在功能层,然后到达genecontrol层,它决定了备用模块在功能层,将有缺陷的模块。gene-control层的主要作用是将正确的备用模块替换错误的一个。此外,模块参与这种机制是分布式和并行操作。因此,即使多个故障同时发生在不同的模块中,系统可以恢复它们。 Furthermore, it can preserve the state and function that existed just before the fault occurred in the sequential system. |
功能层 |
| 工作的功能层由细胞也被称为功能细胞,和备用电池。工作细胞和多余的细胞在体系结构是相似的。其中唯一的区别就是编码的数据(基因组)存储,其中包含它们的功能和互连的细节。工作细胞的主要部件如图2所示。 |
| 的基本结构功能单元执行所需的应用程序的操作。它的运作的基础上的,MUX和多路分配器。它也有一个d型触发器的顺序操作。每个细胞都有连接到邻近的细胞和遥远的细胞。细胞的输出为一个遥远的连接也可以传播。为了转移工作单元之间的数据流和备用电池,必须构建一个可靠的路由体系结构。传输数据的帮助下建立了路由器的功能细胞。路由体系结构是由连接电线和输入选择mux为了动态连接的输出工作细胞或其多余的细胞输入工作的另一个细胞或其备用电池。这些连接的输入和输出之间的细胞是由基因控制的细胞。它执行计算,找出确切的方向应该传输的数据。 The basic design of the MUXs for routing is shown in fig.3. Each MUX is connected to four inputs. The black dots represent a connection point. ST represents the schedule table for each multiplexer. It is used to schedule the operation sequence or time based on the type of operation. A slot counter drives the schedule table and it is incremented for each data forwarded. |
| 整个应用系统运营与WCs的组装和每个单元的操作是基于基因组、基因组在细胞中扮演最重要的角色。基因组是像一个内存,存储的全功能工作与其他工作细胞细胞和它们之间的联系。每一个WC的基因组也存储在其他内存空间。整个基因组转移到备用电池如果出现故障。人工内分泌细胞的基因组是一个配置寄存器的形式实现的。FPGA的应用系统可以嵌入不断暴露在辐射,辐射会导致电压尖峰和交换机之间的数据“0”和“1”作为瞬态误差。故障检测是由基因组甚至产生奇偶校验位,然后进行比较。如果检测到故障的位置错误的一些发现通过比较基因组位与补位原始基因组的价值。错误的一点是单独翻转(例如)0到1 0或1。有时错误的位置不能确定。 In such cases, the entire genome value will be replaced by the normal genome from the encoded data. This method of fault detection and correction can cover upto 3 bits simultaneously. If the fault appears simultaneously, even after fault correction and genome replacement, then it is said to be permanent fault and the entire cell has to be replaced. The available spare cell is calculated and the genome is transferred to the particular spare cell. Then the spare cell takes the functionality of the faulty working cell. The following shows the algorithm of the fault detection unit. |
| 步骤1:检查故障的基因组产生奇偶校验位。 |
| 步骤2:如果检测到故障,检查是否相同的错误连续发生,否则继续正常运行。 |
| 步骤3:然后再核对一下基因组的错。如果故障仍然存在,那么它被认为是永久故障和细胞替换。 |
| 目的:如果故障未发生连续,它被认为是瞬时故障,可以纠正。 |
| 顾不上发现缺陷位的位置通过比较基因组的赞美,然后翻“0”或“1”。 |
| 第六段:修正错误的基因组后,再次检查故障,如果不存在故障继续正常运行。 |
基因控制层 |
| gene-control层功能定位与功能层,它由两个单位。指数变化的单元(ICU)将负责一个WC及其四个邻国SCs和微分单元分配每SC (DU)。永久性故障,故障信号发送到加护病房。ICU接收故障信号时,它检查备用电池的逆时针方向,从左边开始。为了控制细胞替换,使用索引位的变化对应于可用的备用电池和杜表示,,备用电池准备替换有缺陷的细胞的功能。指数位组成的三种类型的位:状态,分化和方向位如表1所示。 |
| 最初这些位设置为' 0 '。工作状态位指示细胞是否是一个细胞或一个备用电池。位表示方向的方向基因组必须被发送,将特定方向的备用电池,到一个工作单元。一个ICU负责改变指数在四位邻近SCs WC。当所有的备用电池对应一个工作单元和没有其他备用电池用于故障恢复,系统停止运行时,系统故障。每一个备用电池都有杜指的区别备用细胞分化和方向。如果细胞分化的备用改为“1”,方向的“10”多余的细胞分化成细胞像厕所一样,这是位于右侧。多余的细胞的分化结束后,杜改变分化。整个过程会重复,如果故障发生在细胞的任何工作。 |
比较与其他体系结构 |
| 自我修复系统的体系结构与自愈系统相比,MUXTREE系统和咯方法而言,额外的硬件为重新路由,闲散资源,同时故障覆盖率和功能性故障覆盖率。的对比,发现自我修复系统的体系结构优于其他容错系统的体系结构。 |
| 额外的硬件为重新路由 |
| 的主要缺点是现有方法是;他们需要额外的硬件更换后的重路由的一个细胞。自我修复的方法有一个路由器细胞,帮助系统旁路更换有缺陷的细胞后细胞[5]。MUXTREE方法有额外的mux和多路分配器的重路由过程后,更换一个细胞。每个细胞都有mux和多路分配器,可以绕过垂直和水平信号通过改变选择[7]。但自我修复系统等不需要额外的硬件更换后的重路由过程一个细胞,因为细胞的替代也伴随着必要的重路由通过多路分配器。 |
| b .闲散资源 |
| 工作的闲散资源的最大数量分子闲散和处理由于某备用分子细胞,即使分子并不是错误的。这种情况多半MUXTREE系统。如果一个错误发生在一个功能性分子,没有更多的备用分子替换,这些分子组成的细胞被一个备用电池。在这种情况下,其他正常操作分子和闲散备用分子处理[7]。咯的闲散资源系统等于功能细胞的数量,因为两个冗余无用的功能故障发生后细胞和一个使用冗余[1]。另一方面,自我修复系统和自愈系统没有闲散资源。从上面的讨论中,找到自我修复系统的体系结构优于其他容错系统的体系结构,用于路由和闲散的额外的硬件资源。 |
| c .同时故障覆盖率 |
| 同时故障覆盖率的最大数量错误发生的同时,可以恢复系统中。三个系统,除了MUXTREE系统,同时可以恢复故障,只要错误的数量不超过的备用电池。 |
| d .功能性故障覆盖率 |
| 功能性故障覆盖率是可以容忍的最大错误数为一个功能单元。提出系统的一个功能单元可以恢复四次,MUXTREE系统可以恢复为SC列数的许多倍。另一方面,功能性细胞自我修复系统和咯系统只能容忍一个因为这样的系统不能使用另一个备用电池和冗余后恢复一次。 |
仿真和结果 |
| 为了实现路由的概念在一个工作单元,该算法用硬件描述语言(VHDL)为一个工作单元路由到任何一个相邻的备用电池模拟使用Modelsim SE + 6.5。输入和输出信号的模型描述各个方向(即)当地,北、东、西部和南部的方向。49位数据由实际数据,x和y计数器,碰撞国旗,忙和2级缓冲区。x和y计数器指示方向。比x y柜台为主计数器和消极的国旗与柜台检查如表2所示。这两个缓冲区用来保存数据时碰撞。为每个输入找到所需的方向后,两个或两个以上的数据的机会朝着同一个方向,如果发现碰撞标志设置为1。那么相应的碰撞数据放置在任何级别使用免费的缓冲区和各自的缓冲区设置为1,所以输入数据将暂停一段时间,直到碰撞清除。也直接碰撞方向的数据存储在第二个缓冲区及其使用信号是提高到1。busy_in信号输入信号指示方向细胞正忙着。 The busy_out is the output signal which is determined by the inputs given. The busy output signal is also sent in order to indicate that the router is busy and it cannot accept any data at that time. If data is sent by the collision direction cell, irrespective of the busy_out signal, then the data will be lost. The following simulation outputs depict how each input data (i.e.) local, north, east, west and south, is routed to its destination based on the input busy signal and collision flag. |
| 图5所示的输出显示了响应的系统当没有输入忙信号和故障数据,所以碰撞的机会非常少。为每个输入找到所需的方向后,对柜台比特和碰撞国旗,north_pkt_out local_pkt_in转发,north_pkt_in east_pkt_out转发,east_pkt_in local_pkt_out转发,west_pkt_out south_pkt_in转发,west_pkt_in south_pkt_out转发。这里没有碰撞的繁忙信号并将不同的数据路由到同一个方向。所以缓冲水平1和2不使用和busy_out都设置为0。 |
| 系统故障时的反应和繁忙信号3方向图6所示。在这里输入忙给东部,南部和西部的方向。所以的north_pkt_in east_pkt_out转发,必须转发到的west_pkt_in south_pkt_out和south_pkt_in必须转发到west_pkt_out buffer1存储。然后直接数据后的缓冲区被接受并存储在缓冲区2。 |
| 系统的响应时busy_in在当地,北、东、西部和南部方向图7所示。local_pkt_in, east_pkt_in north_pkt_in, west_pkt_in south_pkt_in存储在缓冲区和busy_out以来所有的方向设置的缓冲区满所有的方向。 |
结论 |
| 一个数字通信系统受内分泌细胞自我修复了。体系结构的路由功能层的细胞是发达国家和组织良好后这种重定向,相邻细胞之间的替代有缺陷的细胞可以不使用额外的硬件完成。此外,细胞可以安排在一个灵活的方式,这样的厕所可以扩大到任何四个方向。这种自我修复系统与其他主要的自我修复的方法和发现提出的系统开销较低,故障恢复和没有闲散资源。为进一步改善提出了自我修复系统,仍有一些问题有待进一步的研究。当断层的数量上升,忙音的数量也上升。这将导致基因组的路由延迟,永久性故障。因此,同步系统的自然会受到影响。为了保持同步逻辑,可以使用时钟分布网络的概念,使系统快速有效数字系统。可以减少功耗也使用时钟门控。 |
表乍一看 |
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| 表1 |
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数据乍一看 |
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引用 |
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