[發明專利]一種面向多核的可重構容錯系統及方法

在審

• 申請號: 201410101450.X
• 申請日: 2014-03-18
• 公開（公告）號: CN103870353A
• 公開（公告）日: 2014-06-18
• 發明（設計）人: 張少林;楊孟飛;劉鴻瑾;肖愛斌;劉波;華更新;吳一帆;楊樺;劉淑芬;姜宏;王若川;吳軍;譚彥亮;曹志威
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G06F11/07
• 分類號: G06F11/07
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種面向多核的可重構容錯系統及方法，適用于在空間惡劣環境下的星載計算機系統設計。

背景技術

當前空間任務對以星載計算機為代表的空間電子系統提出了更高的性能需求，主要表現在系統的體積、功耗、性能、可靠性等。傳統星載計算機面臨著更新換代的需求，迫切需要尋找一種新的系統架構。

片上系統（SoC）技術作為一種新的專用集成芯片設計方法，在民用和軍事應用領域獲得了快速發展，尤其是多核片上系統（MPSoC）憑借其高集成、低功耗、高性能、高可靠的特點逐漸為國內外航空航天機構所采納。但是傳統基于AISC設計的片上系統存在諸多問題，大多數片上系統采用ASIC設計而成，設計開發成本較高；AISC一經完成如若修改則需要重新進行設計，加劇了研制成本且周期較長。隨著元器件工藝水平的不斷進步，尤其是大規模可編程邏輯器件的出現和大量應用，基于可編程邏輯的可重構技術的為解決上述ASIC設計面臨的問題提供了新的思路，尤其是可編程邏輯器件的出現和大規模應用以及設計工具方法的不斷進步，使得用戶能夠在原有軟硬件資源基礎上對已完成設計進行修改，實現系統的功能擴展，提高了設計靈活性。

將可重構技術應用于多核片上系統設計中，通過對關鍵模塊的重構可實現系統功能的擴展，此外還可以利用重構來完成對軟硬件故障的恢復。目前面向多核的可重構片上系統逐漸成為國內外各大宇航機構的重要研究方向，如NASA從2009年起研制推出的可重構高性能四核星載計算機—SpaceCube，處理性能已經比當前NASA最強計算機增強了10多倍。可重構多核片上系統能夠將傳統龐大的冗余容錯系統集成到集成芯片內實現，并采用了可重構設計方法，在降低體積、重量和功耗的同時，大大提高了系統的性能和可靠性。尤其是SRAM型FPGA支持對器件進行在線動態重配置，不僅可以在線對其某一區域單元進行重配置實現對應電路邏輯功能的改變，還可以通過對故障區域的在線部分重配置實現故障恢復。可重構技術不僅可以實現了系統的功能擴展，同時也提高了系統的可靠性。

然而，可重構多核片上系統仍面臨著很多待解決的問題：系統的設計驗證較復雜，缺乏良好的指導方法及驗證手段；基于動態重配置的重構技術，充分利用了SRAM型FPGA的可動態部分重配置特點，但是在空間環境中SRAM型FPGA面臨著嚴峻的空間輻射問題，需要考慮加固設計問題；目前的可重構過程大多需要人為事先設計，而對用戶透明的自動化重構研究還處于初級階段；另外，國內尤其是航天領域對可重構多核片上系統的研究明顯落后于國內相同領域，有必要研究具備自主知識產權的可重構多核片上系統。

發明內容

本發明的技術問題：克服現有技術的不足，提供一種面向多核的可重構容錯系統及方法，為滿足當前星載處理器亟需更新換代的需求，通過多核處理器工作模式的重構來提高了系統的可靠性和容錯能力，使得其能夠適用于深空探測等復雜、惡劣環境下的工程應用。

本發明技術解決方案：一種面向多核的可重構容錯系統，包括：處理器單元、容錯控制系統和存儲單元；其中：

處理器單元（PE，Processor?Element）負責數據處理和命令執行；所述處理器單元采用四模冗余設計，在同一芯片內部集成了四個完全一樣的處理器單元；四個處理器單元在容錯控制系統的控制下組成冗余容錯模式，每個處理器單元接收相同的處理任務，在全局同步時鐘的驅動下進行數據和命令的執行，處理得到的結果輸出到容錯控制系統的表決器模塊進行數據比對；

容錯控制系統，實現容錯處理和故障修復功能，包括表決器、重構容錯控制模塊和I/O控制模塊；表決器負責接收四個處理器單元的數據輸出，利用純硬件邏輯來實現四個處理器單元輸出結果進行表決，并將表決結果輸出給I/O控制模塊和重構容錯控制模塊；

重構容錯控制模塊，根據表決器和四個處理器單元的狀態來完成對故障核的隔離、修復和同步；當有一個處理器單元發生故障時，重構容錯控制模塊識別發生故障的處理器單元，通過切斷其數據輸入并置該處理器單元健康狀態為無效，將有故障的處理器單元從系統任務處理中隔離出來；同時進行系統工作模式的降級，即從QMR降級到三模冗余模式（TMR）或從TMR降級到二模冗余模式（DMR），保證系統能夠以一個較高的可靠性運行；當故障核修復完成后，在操作系統和重構容錯控制模塊的控制下，新的處理器單元重新加入到系統任務處理中，同時系統完成工作模式的升級；