面向芯片级自修复的胚胎电子电路设计与实现

  本文关键词：基于胚胎电子电路的自修复数字电路研究，由笔耕文化传播整理发布。

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面向芯片级自修复的胚胎电子电路设计与实现

发布日期： 2015-08-17 发布：  

  2015年8期目录       本期共收录文章20篇

　　摘 要：该文以胚胎电子电路的相关理论为前提，探讨了自修复数字电路的设计方法和实现方式，同时对其逻辑块、配置寄存器和自修复辅助电路进行粗略的研究。
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　　关键词：芯片级自修复技术 胚胎电子电路 设计
　　中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0042-01
　　1 胚胎电子电路的基本原理及结构模块
　　1.1 胚胎电子电路的基本原理
　　追根溯源，自修复机制和胚胎电子电路的结构最初都是来源于人们对多细胞生物体活动的相关研究，可以说它是生物电子学的一个重要组成部分。它所采用的是二维阵列的结构，细胞是其组成阵列的基本单元，阵列结构中多余的细胞能够模拟新细胞，从而把配置信息模拟成生物体的遗传物质，而这每个细胞的内部结构又是相同的，主要包括功能电路和自修复辅助电路两大部分。
　　事实上，多细胞生物体是由多个分化的细胞组成的生物体，其分化的细胞各有不同，都具有独特的、专门的功能，属于较为复杂的系统，在这个系统发生局部问题时，生物体往往能够实现自愈，也就是具有自修复能力。所以，我们可以利用功能复制来取代那些损坏或死去的细胞，而且是通过细胞级实施自主修复。
　　1.2 胚胎电子电路的结构模块
　　（1）功能电路模块，胚胎电子电路中的功能电路主要由逻辑块、换向块以及配置寄存器三部分组成。那么，这三个部分负责的内容是什么呢？首先，逻辑块负责完成和实现数字电路的逻辑功能；其次，换向块是用来改变和调整信息传播的方向的，它还能有效地实现细胞单元间逻辑块的互联，从而形成一种十分复杂的数字电路；最后，配置存储器则能够较好地存储每个细胞的配置信息，其输出连接逻辑块和换向块，这样逻辑块便具有可编程能力，能够随时改变细胞和相邻细胞的连接关系。
　　（2）自修复辅助电路，胚胎电子电路中的自修复辅助电路可以形象地比喻为细胞中一元自主修复的“指挥中心”，它的设计需要和功能电路、自修复机理直接相互协调。在细胞逻辑出现故障的时候开启自修复机制，同时产生相应的状态控制信息对其他模块加以控制，让其他正常细胞继续执行任务，这样使得整个系统得以恢复正常运行。
　　2 面向芯片级自修复的胚胎电子电路设计与实现
　　2.1 逻辑块的设计与实现
　　当前，我们常见的逻辑块结构有两种，即基于多路选择器和查找表。前者具有失效率低和结构简单的优势，然而每个细胞的功能性较弱。我们知道，大量细胞的逻辑块互相连接就可以实现复杂的系统功能，但是它的布线并不简单，不能适用于大规模电路的实现。近些年，在以太网供电工程的细胞设计中长期采用基于四输入一输出的显示查找表结构，实现了任意的数字逻辑，然而对于较大规模电路设计时仍有诸多不足，主要表现为资源的大量浪费。鉴于此，下面笔者对逻辑块的结构进行了改进，有效节省了大量资源，也极大地增强了细胞设计的灵活性。
　　对于改进后的逻辑块内部电路结构，此处的逻辑块由四个两输入显示查找表和D触发器组合而成。显示查找表主要负责实现组合逻辑的功能，其个个输入端连接着多路选择器，可作为选择开关，同时也能够对控制信号进行约束和控制，从而实现了相邻细胞逻辑块之间的连接。而D触发器以显示查找表的输出为输入，可以有效实现时序电路。
　　根据研究结果显示，如果要确定一个细胞逻辑块实现的逻辑功能，我们至少需要18位控制配置位。结合显示查找表的内容写入方式，笔者给出了两种逻辑块结构：一是直接把逻辑功能的真值表写入其中；另一种是可重写入的逻辑块结构。
　　2.2 换向块的设计与实现
　　换向块的结构主要由八个八选一多路选择器组成，它能够全方位地改变信号传播方向，它在上下左右四个方向上分别有两根输入线以及输出线，并且各个方向的输出根据配置位决定对八路输入中任何一路进行输出，同时和相邻细胞的换向块对应多路器输入相接。
　　2.3 配置存储器的设计与实现
　　不难发现，，细胞的逻辑块和换向块配置位往往能够决定配置存储器的单元内容。根据它们的结构形式，笔者给出了所有配置位的顺序，如下图所示（其中数字表示比特位的顺序，下方注释是相应的配置信息）。
　　2.4 自修复辅助电路的设计与实现
　　值得注意的是，上述模块要想完全实现自修复的功能，还不得不加入自修复辅助电路设计。当然，在不同的自修复机制情况下，它的电路设计也会有所不同。现阶段，很多电路设计都是基于列移除机制的，它考虑的是列移除的缺点，主要有两种方案可供参考：（1）为了增强细胞结构的通用性，可以考虑采用基于查找表型的配置存储器的自修复辅助电路设计方式；（2）可以考虑基于移位寄存器型的设计方式，总体来说，两种方案都是可行的，需结合实际情况进行取舍。
　　3 结语
　　该作者认为，未来若胚胎电子阵列能够做成一种可自修复通用芯片，那么希望能在该芯片的处理复杂逻辑功能和电路优化设计等方面努力，要进一步发展胚胎电子阵列应用系统的多目标设计技术，并且真正实现智能布线，最终实现大规模电路的自动布局布线。
　　参考文献
　　[1] 张媛.面向芯片级自修复的胚胎电子电路设计与实现[D].南京：南京航空航天大学，2008.
　　[2] 胡泽文，肖明清.基于胚胎电子电路的自修复数字电路研究[J].计算机测量与控制，2012（8）：2300-2302，2306.

  本文关键词：基于胚胎电子电路的自修复数字电路研究，由笔耕文化传播整理发布。