论文部分内容阅读
随着半导体制造技术、计算机辅助设计技术、芯片设计方法的相互促进发展，使电子芯片朝着集成度越来越高、功能越来越复杂的方向发展。但芯片性能大幅提高的同时也面临着发热增大，可控性、可靠性变差，缺乏有效电路故障检测机制等问题，一个简单的故障可能导致系统失效。在很多应用场合，比如航空航天领域、深海探测领域电子系统在面临着大剂量宇宙射线辐射、电磁干扰、高压等严苛工作环境的同时承担着关键的控制作用，一旦失效可能带来巨大的生命和财产损失。于是对电子系统可靠性的研究越来越受到关注。可重构电子阵列由于其重构特性能够在一定程度上实现故障检测与修复，成为电子系统可靠性研究的热点。目前可重构电子阵列多使用二模冗余的故障检测方法与固定的故障移除策略，存在着不能进行故障定位，故障修复能力有限等问题，因此研究新型可重构电子阵列结构与故障检测与修复方法具有重要的研究价值及应用前景。 本文研究了生物体免疫系统及机体修复机制进行的高效自我防御与修复的生理基础，通过在可重构阵列中引入生物体分布性、动态性、自适应等特性，有效的提高了可重构阵列故障检测、修复的能力，使得电子系统的自主修复成为可能。本文的主要工作概括如下: 1.研究了生物体免疫系统及机体修复机制进行的高效自我防御与修复的生理基础，提出了基于仿生学特性的多层分布式可重构阵列结构。该结构采用层次化设计，每层由分布式的单元结构构成，不同结构层功能独立又相互协同作用，共同完成电路逻辑功能的实现与故障的检测与修复。基于此分布式重构阵列结构，提出完整阵列故障检测、自适应修复方法及流程。实验表明该故障检测、修复流程能够实现故障准确定位，自适应的冗余资源寻找与信号重建能够充分利用阵列中的功能及布线资源，理论上系统可靠度较行列移除法及单细胞移除法有所提高。 2.针对可重构阵列中分布式免疫单元结构，提出了一种基于多信号、多周期的免疫层与可配置逻辑层联合故障检测方法。该方法借鉴了生物体的动态多样性以及鲁棒性实现的方法，通过免疫单元的动态轮转机制建立免疫单元与其监测的可配置逻辑单元之间的动态监测关系，使一个可配置逻辑单元能够获得多个独立的监督信号。给出从多个监督信号中综合自身状态与反馈给免疫单元的间接监督信号的决策方法，实现对监督单元的监督以及故障的定位。实验表明该方法能够准确定位故障，并且对监督单元的故障有很高的容忍度，在功能单元周围50％的监督单元出现故障时，仍能准确定位故障确定功能单元状态。即使功能单元周围超过50％监督单元出现故障，功能单元状态判断失效，监督单元的故障仍然能够被定位。 3.针对可重构阵列中分布式重构管理单元结构，提出了一种能够进行在线自主替换单元搜索与确定的方法。该方法将故障修复问题划分到固定区域的重构组织，给出重构组织间故障修复问题级联传递方法，各个重构组织可以并行工作，有效减少故障修复的复杂度与修复时间。给出分布式重构管理间搜索信息传递机制，针对最佳替换单元确定的问题，提出了基于布线资源使用和信号相关度的替换适应度评价函数。 4.针对当前布局布线算法复杂、计算量大无法完全在硬件上完成的问题，基于可重构阵列中分布式重构管理单元组成的重构组织结构，提出了能够完成硬件在线局部重布线的自适应动态最大流算法。该算法将布线问题分为正向布线资源遍历与逆向回溯两个阶段。在正向布线资源遍历阶段，提出布线流概念以及布线流流向、流量决策方法，通过固化在分布式重构管理单元中的布线流流向、流量决策方法，影响带有全局决策信息的布线流流向，获得重构组织范围内的最大流量信息标记。在逆向回溯阶段，提出基于最大流量信息标记以及相邻单元布线资源使用率的最大流布线路径选择方法，通过该方法获得当前最佳布线路径。提出最大流量信息标记动态更新方法，每次布线路径决策过后，动态更新最大流量信息标记，保持其实时性。实验表明该方法能够完成故障修复过程中的硬件在线信号重建，在重布线的过程中该方法能够合理利用阵列中的空闲布线资源，时间消耗合理。