Повышение отказоустойчивости конфигурируемых блоков программируемых логических интегральных схем на основе функционально полных толерантных элементов

• Автор: Греков, Артем Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 268 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ПЛИС И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Анализ объекта исследования конфигурируемых блоков программируемых логических интегральных схем и средств повышения

их отказоустойчивости.

1.2 Анализ моделей отказов больших интегральных схем

1.3 Анализ предмета исследования методов обеспечения отказоустойчивости конфигурируемых блоков ПЛИС

1.3.1 Анализ методов обеспечения пассивной

отказоустойчивости ПЛИС

1.3.2 Активная отказоустойчивость

1.3.3 Восстановление ЛИС, допускающей перерывы

в функционировании.

1.4 Постановка задачи исследования
Выводы по главе 1
2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО ПОЛНЫХ ТОЛЕРАНТНЫХ БУЛЕВЫХ ФУНКЦИЙ ЧЕТЫРХ АРГУМЕНТОВ С УЧЕТОМ МОДЕЛИ ЗАМЫКАНИЙ ПЕРЕМЕННЫХ.
2.1 Получение таблиц функций отказов вектора предполагаемой ФПТ функции для п4 с учетом комбинированной модели отказов.
2.2 Обеспечение свойства нелинейности в смысле теоремы Поста вектора предполагаемой ФПТ функции для п4 с учетом комбинированной
модели отказов
2.3 Обеспечение не самодвойственности ФПТ функции.
2.4 Проверка новых полученных остаточных функций на соответствие теореме Поста.
2.4.1 Остаточные функции для модели отказов замыкания входов
с доминированием
2.4.2 Модель отказов Монтажное И
2.4.3 Модель отказов Монтажное ИЛИ
2.4.4 Модель отказов Монтажное И с доминированием.
2.4.5 Модель отказов Монтажное ИЛИ с доминированием.
2.4.6 1 роверка свойств новых остаточных функций.
2.5 Усовершенствованная методика построения ФПТ функции.
Выводы по главе 2.
3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СИНТЕЗА ЦИФРОВЫХ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ В ФУНКЦИОНАЛЬНО ПОЛНОМ ТОЛЕРАНТНОМ БАЗИСЕ И В ОСТАТОЧНЫХ БАЗИСАХ.
3.1 Особенности представления булевых функций в базисе хХ2 V лзл4
3.2 Представление булевой функции в базисе дгЛ2 V х,х
3.3 Особенности синтеза для функций с развязывающей переменной
3.4 Особенности синтеза для функций, обладающих общей переменной .
3.5 Особенности синтеза для несвязных логических функций.
3.6 Алгоритм представления булевой функции в ФПТ базисе хХ2 V хХа
и в остаточных базисах
3.6.1 Синтез в трехэлементном остаточном базисе х, V х,хм ю
3.6.2 Представление функции в двухэлементных остаточных базисах
х, Vх, и х,Хк
3.7 Разработка программы автоматизированного синтеза цифровых комбинационных схем в функционально полном толерантном базисе
и в остаточных базисах.
3.8 Результаты тестирования программы Синтез ФП Г
Выводы по главе 3.
4 МЕТОДИКА СИНТЕЗА КОНФИГУРИРУЕМЫХ БЛОКОВ НА ОСНОВЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО ПОЛНЫХ ТОЛЕРАНТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
4.1 Оценка эффективности одноканальной восстанавливаемой
ПЛИСФПТ на основе Марковских моделей.
4.1.1 Марковская модель ПЛИСФПТ с переходом на остаточные
базисы и с одним дополнительным состоянием
4.1.2 Разработка программы расчета коэффициента готовности восстанавливаемой ПЛИС с конфигурируемыми блоками на основе функционально полных толерантных элементов.
4.2. Результаты расчтов
4.3 Оценка вероятности безотказной работы отказоустойчивой ПЛИС
Ф1 ГГ со скользящим резервированием и восстановлением лог ики.
4.4 Методика синтеза конфигурируемых блоков на основе ФПТ
элементов.
Выводы по главе 4.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Двухполюсники ключевые МОП транзисторы i управляются триггерами конфигурации. Такие программируемые точки связи ПТС I Ii i содержат сотни миллионов транзисторов, которых на порядок больше, чем логических блоков. Отказы таких ключей, так же, как и соответствующих им триггеров конфигурации могут привести к невозможности использования некоторых конфигурируемых блоков. В перспективе на ПЛИС планируется строить перестраиваемые, саморезервируемые системы с автоматической адаптацией функциональных блоков под требуемый алгоритм речь идт о реконфигурируемых аппаратных вычислениях 5. Тенденция дальнейшего развития технологии ПЛИС введение блоков встроенной диагностики, например, логических анализаторов для доступа к любому элементу работающей схемы без затрат трассировочных ресурсов схемы 4. Полномасштабное внедрение так называемого встроенного сервисного обслуживания II I I уже началось для систем на кристалле 5, 6. Выработаны специальные критерии, называемые тестопригодпое проектирование i 5. Стандарт I . I , использующим методы встроенного поиска неисправностей 5. При этом в БИС вводятся встроенные генераторы тестовых воздействий i i рисунок 1. Такие встроенные средства позволяют замерять временные и вольтамперные характеристики 5. Отказоустойчивость БИС достигается диверсификацией функциональных блоков, их дублированием и восстановлением работоспособности в процессе эксплуатации в реальном масштабе времени 7. ПЛИС рисунок 1. Рисунок 1. Встроенные средства диагностирования системы на кристалле по стандарту ЕЕЕ 1
Рисунок 1. Актуальность разработки средств реконфигурации логики отмечается, например, в 9. Однако указанные выше инновации предусматриваются только для систем на кристаллах . В настоящее время, несмотря на вс возрастающие функциональные возможности и гибкость ПЛИС, как правило, в них не предусматривается какихлибо средств повышения отказоустойчивости. Пожалуй, только фирма позиционирует себя как производитель микросхем повышенной надежности и выпускает однократно программируемые ПЛИС, которые могут использоваться в аппаратуре специального назначения 9. Достигнутая в этих сегментах наджность специальных ПЛИС оценивается таким показателем за в минус 9 часов не более отказов сбоев 2. Расширяют выпуск высоконаджных микросхем и другие фирмы. Так, по некоторым оценкам, фирма увеличивает объм ПЛИС, продаваемых для аппаратуры военного назначения до ежегодно. Для повышения наджности аппаратуры на ПЛИС чаще всего применяются известные методы внешнего резервирования наиболее ответственных блоков устройств. Предусматривается также реконфигурация путм исключения отказавших блоков с сохранением временной задержки между функциональными блоками схемы . Однократнопрограммируемые ПЛИС фирмы микросхем имеют аппаратно троированные триггеры, с мажоритарной схемой подавления сбоев 2. Для повышения отказоустойчивости памяти ПЛИС в космических применениях, используют помехоустойчивое кодирование, например, по Хэммингу, разрабатываются специальные ячейки памяти, устойчивые к сбоям . При этом площадь кристалла значительно увеличивается по меньшей мере, удваивается . Таким образом, качественного скачка в отказоустойчивости ПЛИС пока не произошло, преобладают традиционные подходы структурного резервирования. Мощные средства адаптации, заложенные в ПЛИС, не востребованы в полной мере. В то же время, тенденции развития микроэлектронных технологий и зарождающейся наноэлектроники свидетельствуют, что интеллектуальные цифровые системы будут обладать способностью адаптации к отказам, возникшим в результате воздействия внешних негативных факторов. Цифровая аппаратура будет способна к самовосстановлению, например, путем отключения пораженных участков и реализации функций на подмножестве элементов с возможным замедлением работы и снижением качества выполнения возложенных на них задач. Противоречием в практике является несоответствие между развитыми средствами реконфигурации ПЛИС и недостаточным их использованием в настоящее время для резкого повышения отказоустойчивости. БИС таблица 1. Таблица 1.