基于FPGA的三模冗余容错技术研究

2 改进的TMR方法
2．1 TMR与Scrubbing结合
由于TMR本身不具备错误模块修复能力，若仅一个模块出现错误时，系统功能不受影响，但如果在另一个模块出现错误前不能对已出现的错误模块进行修复，那么冗余方法会失效。所以当出现一个错误的时候，必须及时地对出错的模块进行修复。
随着动态可重构技术的发展，出现了Scrubbing这种对FPGA进行配置的方法。由于对于空间电子系统来说影响最严重的是SEU等软故障，而软故障可以通过重构来解决，所以周期性地对配置存储器进行刷新可以实现对这类错误的修复。
Scrubbing和TMR配合使用对防止SEU的产生可以起到很好的效果。但很多研究同样只考虑到单个错误的影响，而忽略了多个SEU同时出现的可能性。理论上一个快速的刷新率可以保证某一时间内只有一个错误的存在。然而实际中错误的出现是随机的，这意味着任何刷新率都不能保证在一个刷新周期内最多只出现一个错误。在实际中使用这种方法时，必须通过复杂的实验过程对SEU出现的概率进行估计。选取Scru-bbing的刷新率的经验原则是使刷新率比估算的出错率高一个数量级。而现在随着FPGA的规模越来越大，用来装载整个配置位流的时间会达到几百毫秒，刷新率更得不到保障，且系统功耗增大。
随着部分TMR的实现，可以设计出具有检错和定位功能的表决器，当某个模块出错时，表决器的信号直接触发重构功能，动态地只对出错部分的电路进行重构。这样可以解决Scrubbing时间和功耗的问题，并为防止错误积累提供了解决途径。
为了防止表决器出错，表决器可以采用对辐射不敏感的器件来实现而替代基于SRAM的材料，这样提高了表决器的稳健性。文献也提出了一种改进的表决器。它不再使用多数表决器对三个冗余模块的输出进行表决，而是将三个冗余模块相应的输出通过三态缓冲器和少数表决器后分别由FPGA的三个输出管脚输出，最后在印刷电路板(PCB)上“线或”为一个信号。少数表决器电路负责判断本冗余模块的信号是否是少数
值，如果是少数值，则相对应的缓冲器输出高阻，如果不是，则使相应的信号正常输出。
Readback是在Scrubbing的基础上发展起来的。它是指将配置数据回读与最初的配置数据进行比较，发现错误后进行重构。文献中使用了这样的方法，另外它还采用了纠错码来保护配置数据。每一个配置帧的数据被12位的see-dec汉明码保护，而且FPGA中每个基本单元的识别码都不一样，通过ICAP(InternalConfiguration Access Port)回读配置文件后，纠错码可以给出错位的位置。
Scrubbing可以在不中断电路工作的情况下修复SEU在LUT、布线矩阵和CLB中所造成的功能错误。但是它不能改变LUT中触发器中的内容，所以它也就不能重置寄存器的状态。当存储单元的值发生了翻转，此时只能通过系统复位来得到修复。然而系统复位将使系统功能中断，严重影响系统的性能。
2．2 小粒度TMR技术
随着部分动态重构技术的出现，产生了小粒度的TMR方法。可以以较小的粒度为步长，采用合理的布局与布线实现TMR以达到要求的资源开销并得到最大的可靠性。文献中对在出现多个错误的情况下不同粒度TMR的容错性能进行了实验分析，结果表明小粒度TMR比以整个系统为粒度进行TMR的效果好。
在全局TMR不可行的情况下(例如资源有限)，小粒度TMR是一个较好的选择，可以在使用较少资源的情况下提高系统的可靠性。由于不是对所有的模块都采用冗余措施，所以在实现的时候必须着重于对那些可以相对更高地提高系统可靠性的模块应用TMR技术。此时表决器的数量和位置也是一个需要考虑的问题。由于采用三模冗余的模块前后需要额外的布线，而逻辑电路和布线资源都对SEU敏感，所以这样的结果会降低系统可靠性。如图2所示，图中阴影部分是对SEU敏感的，由图可以看出(c)中敏感的部分比(b)中多，这是由于表决器和额外的布线造成的。所以需要限制三模冗余电路和未采用三模冗余的电路的转变，这样可以通过集中使用三模冗余技术而提高系统可靠性。