引言

　　在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，集成度、質(zhì)量和可靠性起著十分重要的作用，數(shù)字電路出現(xiàn)故障的幾率隨著其規(guī)模和復(fù)雜度的增加而增大。因此，自診斷和自修復(fù)對(duì)數(shù)字電路容錯(cuò)技術(shù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響。自診斷使電路能自動(dòng)探測(cè)到故障，而自修復(fù)使電路用較少的硬件資源將故障修復(fù)。

　　鑒于生物學(xué)中，多細(xì)胞器官具有高可靠性和高容錯(cuò)能力，這一特點(diǎn)為數(shù)字電路的容錯(cuò)研究提供了重要的思想，許多研究者一直致力于在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中找到一種新的自修復(fù)機(jī)理和有效的容錯(cuò)方法，但卻一直找不到方向。目前，在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中存在兩種自修復(fù)機(jī)制：基于進(jìn)化思想和基于重構(gòu)思想。胚胎細(xì)胞就是基于重構(gòu)思想的自修復(fù)機(jī)制。

　　1 具有自修復(fù)功能的數(shù)字電路結(jié)構(gòu)

　　數(shù)字電路基于胚胎細(xì)胞的重構(gòu)思想，由此提出了一種自修復(fù)機(jī)制，對(duì)應(yīng)具有自修復(fù)功能的數(shù)字電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　自修復(fù)機(jī)制的主要思想：每個(gè)細(xì)胞對(duì)各自的功能模塊進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)功能故障時(shí)，故障細(xì)胞被屏蔽，然后分兩種情況進(jìn)行處理：

　?。?）故障細(xì)胞所在行的右側(cè)沒(méi)有休眠細(xì)胞：采取整列休眠屏蔽的方法，整列細(xì)胞的功能由其右邊列細(xì)胞取代實(shí)現(xiàn)，故障細(xì)胞輸出err_out信號(hào)有效。

　　由圖1可知，這列所有細(xì)胞的休眠信號(hào)err_in被置位，這將使得這列的其他功能細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝呒?xì)胞；

　?。?）故障細(xì)胞所在行的右側(cè)有休眠細(xì)胞：通過(guò)傳遞休眠細(xì)胞地址的方法將休眠細(xì)胞激活為功能細(xì)胞，它將間接取代故障細(xì)胞的功能。

　　為了實(shí)現(xiàn)這種自修復(fù)機(jī)制，本文對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)細(xì)胞具有相同的硬件結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)細(xì)胞包括地址產(chǎn)生模塊（AG）、Memory模塊、細(xì)胞功能模塊（FUN）、屏蔽信號(hào)產(chǎn)生模塊（SSG）、激發(fā)休眠細(xì)胞模塊（ARC）、休眠地址傳遞模塊（RAT）和I/O block。

　　1.1 地址產(chǎn)生模塊（AG模塊）

　　系統(tǒng)功能由多個(gè)細(xì)胞共同實(shí)現(xiàn)，對(duì)同一行細(xì)胞來(lái)說(shuō)，每個(gè)細(xì)胞需要實(shí)現(xiàn)的功能由它的地址決定，AG模塊主要用來(lái)確定功能細(xì)胞的地址，使細(xì)胞實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。同一行每個(gè)細(xì)胞的地址addr由左邊細(xì)胞的輸出地址addr_in加“1”得到，AG模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　其中N為細(xì)胞所在行必需的功能細(xì)胞數(shù)，addr_out為此細(xì)胞的輸出地址，其輸出值與細(xì)胞類(lèi)型有關(guān)。

　　1.1.1 功能細(xì)胞

　　addr_out=addr，輸出本細(xì)胞地址。

　　1.1.2 備用細(xì)胞

　　addr_out=addr_in，通過(guò)比較器Cmp1輸出的備用信號(hào)spare來(lái)判斷此細(xì)胞是否為備用細(xì)胞。當(dāng)addr_in與N相等時(shí)，表示左邊細(xì)胞是本行必需的一個(gè)功能細(xì)胞，則此細(xì)胞就為備用細(xì)胞，輸出spare有效。

　　1.1.3 故障細(xì)胞或休眠細(xì)胞

　　addr_out=addr_in，當(dāng)功能細(xì)胞變?yōu)楣收霞?xì)胞或休眠細(xì)胞時(shí)，其輸出地址等于左邊細(xì)胞的輸出地址，此細(xì)胞需實(shí)現(xiàn)的功能由右邊功能細(xì)胞完成，從而實(shí)現(xiàn)自修復(fù)功能。

　　1.2 細(xì)胞功能模塊（FUN模塊）

　　FUN（Function unit）模塊主要實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的邏輯和時(shí)序功能，是完成細(xì)胞特定功能的主要模塊，F(xiàn)UN模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中exist信號(hào)反映細(xì)胞右側(cè)是否存在休眠細(xì)胞，其值由休眠細(xì)胞地址restaddr（RAT模塊產(chǎn)生）各位相或所得，exist為“0”表示右側(cè)沒(méi)有休眠細(xì)胞，“1”表示右側(cè)有休眠細(xì)胞。RAM1由Memory模塊進(jìn)行配置，儲(chǔ)存細(xì)胞要實(shí)現(xiàn)的功能信息，通過(guò)查找表方式將功能結(jié)果輸出，R0用于控制輸出結(jié)果是否被寄存。RAM2是RAM1的冗余存儲(chǔ)單元，RAM2與RAM1相同地址的比特信息剛好相反，它們的輸出值經(jīng)過(guò)同或門(mén)后可以判斷細(xì)胞是否出現(xiàn)功能故障。當(dāng)RAM1或RAM2出錯(cuò)時(shí)，故障信號(hào)err變?yōu)橛行?，F(xiàn)UN模塊的輸出信號(hào)fun_out為高阻態(tài)，若此細(xì)胞右側(cè)沒(méi)有休眠細(xì)胞，輸出err_out信號(hào)有效，本列的其他功能細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝呒?xì)胞。

　　1.3 屏蔽信號(hào)產(chǎn)生模塊（SSG模塊）

　　SSG模塊主要是在滿(mǎn)足條件時(shí)產(chǎn)生屏蔽信號(hào)shield。故障細(xì)胞或休眠細(xì)胞需要被屏蔽，當(dāng)休眠細(xì)胞需要被激活時(shí)，屏蔽信號(hào)shield應(yīng)該無(wú)效，使休眠細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ芗?xì)胞。

　　SSG模塊的真值表如表1所示。其中active為激活休眠細(xì)胞信號(hào)，由激發(fā)休眠細(xì)胞模塊ARC產(chǎn)生。

　　由表1可知，故障細(xì)胞和休眠細(xì)胞的屏蔽信號(hào)shield有效，當(dāng)休眠細(xì)胞的激活信號(hào)active有效時(shí)，屏蔽信號(hào)shield無(wú)效。

　　1.4 激發(fā)休眠細(xì)胞模塊（ARC模塊）

　　當(dāng)細(xì)胞發(fā)生故障且右側(cè)有休眠細(xì)胞時(shí)，不需要將整列功能細(xì)胞屏蔽，只需將故障細(xì)胞屏蔽，同時(shí)ARC模塊向右傳遞需要激活的休眠細(xì)胞的地址，讓休眠細(xì)胞變?yōu)楣δ芗?xì)胞，實(shí)現(xiàn)自修復(fù)功能。ARC模塊在不同情況下的作用不同：

　　1.4.1 故障細(xì)胞且右側(cè)有休眠細(xì)胞

　　ARC模塊將暫存的休眠細(xì)胞的地址restaddr作為激活地址activaddr_out輸出，即activaddr_out=restaddr。

　　1.4.2 休眠細(xì)胞

　　在休眠期間，激活信號(hào)active為比較器Cmp2的輸出，當(dāng)輸入的激活地址activaddr_in為本細(xì)胞地址時(shí)，激活信號(hào)active有效。由表1可知，屏蔽信號(hào)shield變?yōu)闊o(wú)效，休眠細(xì)胞被激活為功能細(xì)胞。

　　1.4.3 其他情況

　　activaddr_out=activaddr_in，ARC模塊起傳遞激活地址作用。

　　1.5 休眠地址傳遞模塊（RAT模塊）

　　RAT模塊主要是向左傳遞休眠細(xì)胞的地址，同時(shí)如果細(xì)胞被轉(zhuǎn)變?yōu)樾菝呒?xì)胞，則將此細(xì)胞的地址向左側(cè)傳遞。細(xì)胞輸出的休眠細(xì)胞地址restaddr_out與細(xì)胞類(lèi)型有關(guān)。

　?。?）休眠細(xì)胞：restaddr_out=addr，休眠細(xì)胞將自己的地址addr作為休眠細(xì)胞地址輸出。

　?。?）其他類(lèi)型細(xì)胞：restaddr_out= restaddr_in，其他類(lèi)型細(xì)胞對(duì)于輸入的休眠細(xì)胞地址restaddr_in起傳遞作用。

　　1.6 I/O Block

　　I/O Block主要實(shí)現(xiàn)與其他細(xì)胞通信以及是否選擇細(xì)胞功能模塊FUN的結(jié)果作為輸出，是實(shí)現(xiàn)細(xì)胞功能屏蔽的控制模塊。細(xì)胞的輸入輸出數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

　　2 實(shí)例分析

　　設(shè)系統(tǒng)由4×6細(xì)胞陣列構(gòu)成，包括功能細(xì)胞和備用細(xì)胞s，如圖6所示。功能細(xì)胞所標(biāo)識(shí)的具體數(shù)字表示其AG模塊產(chǎn)生的地址，這個(gè)地址決定了細(xì)胞要具體實(shí)現(xiàn)的功能。此系統(tǒng)需要的功能細(xì)胞數(shù)每一行為4，所以各個(gè)細(xì)胞的N均為4。下面分析系統(tǒng)從正常工作到單個(gè)細(xì)胞故障，再到多個(gè)細(xì)胞故障時(shí)各階段如何實(shí)現(xiàn)故障自修復(fù)功能。

　　2.1 細(xì)胞無(wú)故障

　　每個(gè)功能細(xì)胞的地址由AG模塊產(chǎn)生，其地址從左向右從1開(kāi)始依次遞增。細(xì)胞根據(jù)其地址從Memory模塊中讀取相應(yīng)的功能配置信息到FUN模塊的RAM1和RAM2中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。第五列和第六列的細(xì)胞根據(jù)其AG模塊輸出備用信號(hào)spare有效，判定為備用細(xì)胞s，I/O Block將備用細(xì)胞屏蔽。在這個(gè)階段，所有細(xì)胞的RAT模塊和ARC模塊只起著傳遞作用。

　　2.2 單個(gè)細(xì)胞故障

　　假設(shè)第二行第三列的細(xì)胞發(fā)生故障，此細(xì)胞的故障信號(hào)err被置為“1”。由表1可知，此故障細(xì)胞被屏蔽。休眠細(xì)胞的RAT模塊將自己的地址輸出向左傳遞，使休眠細(xì)胞左側(cè)的功能細(xì)胞暫存這個(gè)休眠細(xì)胞地址。由于第三列整列細(xì)胞被屏蔽，第三列細(xì)胞AG模塊的輸出地址addr_out=addr_in=2，第四列功能細(xì)胞的地址addr變?yōu)?，第四列的功能細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了原來(lái)第三列功能細(xì)胞的功能；第五列備用細(xì)胞的spare信號(hào)變?yōu)闊o(wú)效，備用細(xì)胞變?yōu)楣δ芗?xì)胞，其地址為4，實(shí)現(xiàn)原來(lái)第四列功能細(xì)胞的功能，從而整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電路功能的自修復(fù)。自修復(fù)后的電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。X表示故障細(xì)胞，D表示休眠細(xì)胞。

　　2.3 多個(gè)細(xì)胞故障

　　多個(gè)細(xì)胞故障分為兩種情況，一種是故障細(xì)胞右側(cè)沒(méi)有休眠細(xì)胞，這時(shí)會(huì)繼續(xù)采用整列休眠的方法；另一種是故障細(xì)胞右側(cè)有休眠細(xì)胞，下面對(duì)這種情況分析說(shuō)明。

　　設(shè)在上節(jié)的故障發(fā)生后，第三行列的細(xì)胞又發(fā)生故障，此故障細(xì)胞被屏蔽且根據(jù)exist為“1”判斷出其右側(cè)有休眠細(xì)胞，此故障細(xì)胞的ARC模塊將暫存的休眠細(xì)胞地址restaddr=3作為激活地址輸出向右傳遞，功能細(xì)胞對(duì)激活地址只起傳遞作用，其功能不受影響。當(dāng)?shù)谌械谌械男菝呒?xì)胞輸入的激活地址為3時(shí)，其ARC模塊的比較器輸出為“1”， active信號(hào)變?yōu)橛行?，由?可知，此休眠細(xì)胞的屏蔽信號(hào)shield無(wú)效，休眠細(xì)胞被激活為功能細(xì)胞，實(shí)現(xiàn)了故障自修復(fù)功能。經(jīng)自修復(fù)后的電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

　　由圖8可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)自修復(fù)后的電路結(jié)構(gòu)在第4～6列沒(méi)有變動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)性能的影響也相應(yīng)減小。

　　3 容錯(cuò)性能分析

　　3.1 容錯(cuò)細(xì)胞數(shù)

　　3.1.1 故障細(xì)胞數(shù)不多于空閑細(xì)胞列數(shù)

　　在這種情況下，故障覆蓋率可以達(dá)到100%，每個(gè)故障細(xì)胞至少均可由一列空閑細(xì)胞實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)。系統(tǒng)能容錯(cuò)的細(xì)胞數(shù)為故障細(xì)胞數(shù)。

　　3.1.2 故障細(xì)胞數(shù)大于空閑細(xì)胞列數(shù)且不多于空閑細(xì)胞數(shù)

　　如果考慮壞的情況，所有故障細(xì)胞都在同一行，這時(shí)系統(tǒng)能容忍的故障細(xì)胞數(shù)為空閑細(xì)胞列數(shù)；考慮到另一種可能性更大的情況：故障細(xì)胞等概率的出現(xiàn)在每一行，此時(shí)故障覆蓋率可以達(dá)到，系統(tǒng)能容忍的故障細(xì)胞數(shù)為空閑細(xì)胞數(shù)，其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

　　3.1.3 當(dāng)故障細(xì)胞數(shù)大于空閑細(xì)胞數(shù)

　　此時(shí)系統(tǒng)能容忍的故障細(xì)胞數(shù)為空閑細(xì)胞數(shù)。

　　3.2 與其他方法的比較

　　TMR用三個(gè)相同功能模塊的輸出經(jīng)過(guò)多數(shù)表決器選擇輸出的結(jié)果，需要用2倍的冗余資源且只能容忍一個(gè)模塊出錯(cuò)，當(dāng)有兩個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，表決器的輸出會(huì)出現(xiàn)誤判。整列排除方法對(duì)每個(gè)故障細(xì)胞均采用排除所在列來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，每當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)故障細(xì)胞時(shí)，就將整列屏蔽，消耗過(guò)多的硬件資源且能容忍的故障細(xì)胞數(shù)較少。假設(shè)系統(tǒng)資源為24個(gè)單元，采用如圖5所示的結(jié)構(gòu)。表2是在以上假設(shè)下本文提出的方法與這兩種方法容錯(cuò)性能的對(duì)比結(jié)果。由表2可以看出，在相同系統(tǒng)資源情況下，相比于TMR與整列排除方法，本文提出的方法可以容忍更多的故障單元。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文對(duì)數(shù)字電路容錯(cuò)提出了一種自修復(fù)的容錯(cuò)機(jī)制，并設(shè)計(jì)了基本結(jié)構(gòu)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)這種自修復(fù)機(jī)制。通過(guò)實(shí)例分析了基本單元在不同故障情況下如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的自修復(fù)來(lái)達(dá)到容錯(cuò)目的，通過(guò)與TMR和整列排除方法的容錯(cuò)性能對(duì)比，分析了在不同情況下系統(tǒng)的容錯(cuò)細(xì)胞數(shù)，說(shuō)明了本文提出的方法可提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。