关于仿生硬件容错技术的探讨

发布时间：2014-07-30 09:07

      一、仿生硬件容错研究现状
　　随着电路系统功能的复杂化，传统的硬件容错技术越来越不能满足日益庞大的电路系统要求。为了提高系统可靠性，人们提出了动态地对故障进行自检测、自修复的要求，并努力寻找新的容错设计方法。研究人员从自然界得到灵感，将自然计算（如进化计算，胚胎理论等）引入到硬件设计中从而形成仿生硬件（Bio-inspired Hardware,BHW）。仿生硬件的概念最初是由瑞士联邦工学院于1992年提出的，虽然历史不长，但其发展非常迅速，现在已经成为国际上的研究热点之一。仿生硬件早期也称为进化硬件（Evolvable Hardware,EHW）。A.Thompson等人较早提出了EHW应用于容错方面的想法。仿生硬件是一种能根据外部环境的变化而自主地、动态地改变自身的结构和行为以适应其生存环境的硬件电路，它可以像生物一样具有硬件自适应、自组织、自修复特性。采用仿生硬件实现的容错，笔耕文化传播，不需要显式冗余，而是利用进化本身固有容错的特性，这种特性带来的优势是传统方法通过静态冗余实现容错所不能比拟的。
　　二、仿生硬件的容错技术新思路
　　基于仿生硬件的容错研究，对建立借鉴生物进化机制的硬件容错新理论、新模型和新方法，提高硬件系统的可靠性，具有至关重要的意义。
　　（一）胚胎型仿生硬件的容错体系结构和容错原理
　　仿生硬件可以分为进化型和胚胎型，其中胚胎型仿生硬件也称为胚胎电子系统，是模仿生物的多细胞容错机制实现的硬件。
　　胚胎型仿生硬件的容错体系结构，主要由胚胎细胞、开关阵和线轨组成。开关阵根据可编程连线的控制信号完成开关闭合，控制线轨内各线段的使用。胚胎细胞包含存储器、坐标发生器、I/O换向块、功能单元、直接连线、可编程连线、控制模块等。存储器用于保存配置数据位串，并根据细胞状态和坐标发生器计算出的结果，从配置位串中提取一段经译码后对胚胎电子细胞的换向块和功能单元进行配置。坐标发生器根据每个细胞最近两侧（左侧和下侧）邻居细胞的坐标为其分配坐标。I/O换向块为细胞功能单元间的可编程连线提供控制信号。功能单元用于实现一个n输入的布尔函数，用于实现所需的细胞功能。直接连线负责功能单元之间的相互通信。可编程连线传递控制信号控制开关阵。控制模块完成细胞的工作状态检测、故障诊断、控制细胞冗余切换。
　　（二）胚胎型仿生硬件实现容错的策略
　　为了实现对故障细胞的容错，常用的容错策略有两种：行（列）取消和细胞取消策略，通过记录有错的单元位置，重新布线，用其他备用的单元来代替。
　　但是对于连线资源故障，这些策略并未给出相应的对策。在深入研究胚胎仿生硬件容错体系结构的基础上，本文提出一种针对线轨故障的容错策略。
　　1. 行（列）取消策略。在行（列）取消中，若一个细胞出错，则它所在行（列）的所有细胞都将被取消，而该行（列）细胞的功能将被其上一行（右一列）的细胞所代替，即当一个细胞出错时，细胞所在行（列）上移（右移）到一个备用行（备用列）来代替它当前的工作。
　　2. 细胞取消策略。在细胞取消中，用备用细胞代替故障细胞分两个阶段。当某一行的出错细胞数超过备用细胞数时，整行被取消，行细胞上移，用备用行取代出错行的功能。
　　（三）胚胎型仿生硬件实现容错的流程
　　胚胎型仿生硬件容错的流程为：
　　（1）根据设计需求选择器件，确定硬件设计方案；
　　（2）以电路结构及有关参数等作为染色体进行编码，按照进化算法的进化模式对系统进行进化操作；
　　（3）一般以电路的功能与预期结果的符合程度作为个体的适应度。根据给定的输入条件或测试集，通过基于电路模型的仿真测试或实测计算群体中的每个个体的适应度；       

 

本文编号：6458