基于FPGA動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的二模冗余MIPS處理器

　　ERR_VERIF 模塊的故障分析方法為比較法。它將執(zhí)行同樣指令且同步運(yùn)行的兩個子系統(tǒng)的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)結(jié)果不一致時，就表示其中一個子系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，這時需要使用BIST模塊去主動定位故障位置。而BIST進(jìn)行故障分析的方法與ERR_VERIF模塊使用的方法本質(zhì)上是相同的，但是實(shí)現(xiàn)方式不同。BIST模塊將被測試模塊產(chǎn)生的輸出與BIST內(nèi)部存儲好的預(yù)期的輸出進(jìn)行比較，來測試被測模塊是否出現(xiàn)故障。

　　檢測出的故障情況有3 種：主子系統(tǒng)故障、備份子系統(tǒng)工作正常;主子系統(tǒng)正常、備份子系統(tǒng)故障;主系統(tǒng)子系統(tǒng)和備份子系統(tǒng)均出錯。BIST模塊檢測出故障情況后，會將故障情況顯示于故障燈(也就是A、B、C)上。當(dāng)3個故障燈中有燈亮?xí)r，則表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障。燈A、B亮，表示主子系統(tǒng)出現(xiàn)故障;燈A、C亮，表示備份子系統(tǒng)出現(xiàn)故障;燈A、B、C亮，表示兩子系統(tǒng)均出現(xiàn)了故障。在出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)會根據(jù)具體情況，對系統(tǒng)輸出進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)主子系統(tǒng)出現(xiàn)故障而備份子系統(tǒng)未出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)輸出則來自備份子系統(tǒng);當(dāng)備份子系統(tǒng)出現(xiàn)故障而主子系統(tǒng)未出現(xiàn)故障，系統(tǒng)輸出則來自主子系統(tǒng)。當(dāng)兩子系統(tǒng)都出現(xiàn)了問題時，則需要停機(jī)維護(hù)。當(dāng)其中一個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，需要將無故障的子系統(tǒng)比特流重新下載入FPGA系統(tǒng)中。在下載時，系統(tǒng)的工作無需停止。

　　3 內(nèi)建自測試技術(shù)與BIST結(jié)構(gòu)分析

　　內(nèi)建自測試技術(shù)(Build?in Self Test，BIST)是指在設(shè)計電路時，為了及時監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，而設(shè)計一部分自測試電路來測試電路運(yùn)行是否正常。BIST系統(tǒng)主要組成部分有測試向量生成、測試輸入隔離、輸出結(jié)果反饋分析和測試控制等，如圖2(a)所示。

　　測試向量生成部分用于產(chǎn)生要輸入到被測模塊的測試向量，測試向量的生成含有兩部分：測試輸入的生成和測試結(jié)果的生成。測試輸入用于作為被測電路的數(shù)據(jù)輸入，而測試結(jié)果則用于對反饋結(jié)果的分析。測試輸入隔離部分用于將BIST模塊的測試向量輸入和正常輸入相分離。輸出結(jié)果反饋分析部分用于分析被測電路中輸出結(jié)果的正確性，并向外輸出電路故障信息。

　　只用一組測試向量對電路故障進(jìn)行測試將不具有可信度，所以在BIST技術(shù)中，通常需要使用多組測試向量對被測電路進(jìn)行測試，因此在測試時需要一定的時序控制機(jī)制，測試控制部分用于完成測試的時序邏輯的控制。

　　圖 2(b)為系統(tǒng)中的BIST模塊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。其中“自測試向量Memory”和“自測試結(jié)果Memory”的功能相當(dāng)于圖2(a)中測試向量生成器的功能，“自測試向量Memory”用于存放測試輸入向量，“自測試結(jié)果Memory”用于存放測試對比結(jié)果。而“時序控制FSM”用于對測試時序的控制，包括測試向量地址生成、測試結(jié)果地址生成和測試輸入隔離控制等。“結(jié)果比對器”用于將MIPS實(shí)時輸出結(jié)果與“自測試結(jié)果Memory”單元的輸出結(jié)果進(jìn)行比較。“結(jié)果分析輸出”單元是一個狀態(tài)機(jī)，將根據(jù)“結(jié)果比對器”的輸入來進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。圖3為具體的時序控制狀態(tài)機(jī)。

　　4 系統(tǒng)測試與分析

　　二模冗余系統(tǒng)的內(nèi)建自測試中一共測試了6條指令。由于在實(shí)驗(yàn)中無法模擬出系統(tǒng)出現(xiàn)隨機(jī)錯誤的情況，故測試時在電路中設(shè)置了一個人為出錯的控制電路來產(chǎn)生系統(tǒng)故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明當(dāng)二模系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，BIST會自動啟動去檢測系統(tǒng)故障位置。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過對出錯部分的重新配置，可以使得系統(tǒng)恢復(fù)正常。

　　結(jié)語

　　本文根據(jù)FPGA動態(tài)部分重構(gòu)技術(shù)、二模冗余技術(shù)，設(shè)計了一個基于二模冗余的MIPS處理器系統(tǒng)，系統(tǒng)可以對系統(tǒng)錯誤進(jìn)行自行檢測和錯誤自行定位，經(jīng)測試系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。本系統(tǒng)下一步的工作是進(jìn)一步完善故障自檢測系統(tǒng)和設(shè)計故障的自修復(fù)系統(tǒng)。