Введение к работе
з
Актуальность работы. Для информационно-телекоммуникационных систем, перспективных вооружений, военной техники, космических систем критическими технологиями являются технологии создания электронной компонентной базы. В настоящее время одним из динамично развивающихся направлений цифровой схемотехники являются программируемые логические интегральные схемы - ПЛИС. Одним из широко используемых сегодня типов ПЛИС являются ПЛИС FPGA (англ. field-programmable gate array) - программируемые пользователем вентильные матрицы (ППВМ), которые имеют много логических элементов - конфигурируемых пользователем логических блоков - конфигурируемых блоков (КБ) и гибкую архитектуру.
Для высоконадёжной авиационной аппаратуры, аппаратуры космических аппаратов, вооружения и военной техники, систем управления АЭС, медицинских систем требуются отказоустойчивые ПЛИС. Однако в этом направлении сегодня развиваются практически только однократно-программируемые радиационно-стойкие ПЛИС фирмы Actel, которые имеют троированные триггеры с мажоритарной схемой подавления сбоев и используются в аппаратуре специального назначения. Восстановление логики ПЛИС после отказов в сложных и специальных условиях эксплуатации в настоящее время не предусматривается, хотя технологические предпосылки к этому уже созданы.
Объектом исследования являются конфигурируемые блоки ПЛИС FPGA.
Для повышения надёжности передачи и хранения информации производителями используется помехоустойчивое кодирование (вводится информационная избыточность). Повышение надёжности в смысле пассивной отказоустойчивости в настоящее время реализуется традиционными методами структурного резервирования (вводится аппаратурная избыточность). Активную отказоустойчивость сегодня
4
предполагается реализовывать путём восстановления, например, памяти
ПЛИС после отказов - путём исключения блоков с отказами (уменьшения
адресного пространства), либо путём переадресации ячеек. Несмотря на
потребность дальнейшего развития методов обеспечения
отказоустойчивости, имеющиеся методы активной отказоустойчивости развиваются, по существу, обособленно от методов пассивной отказоустойчивости и не интегрируются для целей восстановления и сохранения структурного резерва при отказах.
Принципы отказоустойчивости рассматривались в работах Р. Хэмминга, Дж. фон Неймана, Д. Малера, А. Авижениса и др. Эти принципы были использованы и используются при создании систем управления военными, космическими комплексами. Разработкой новых подходов к повышению надёжности цифровых элементов и узлов, в том числе на основе ПЛИС, занимаются в ИПУ РАН (группа Каравая М.Ф.), ИПИ РАН (группа Степченко Ю.А., продолжающая исследования Варшавского В.И. в области самосинхронных схем), активно работают украинские учёные - группы Харченко B.C., Хаханова В.И. Вопросы повышения надёжности исследовались также Пархоменко П.П., Согомоняном Е.С., Ткаченко А.В., Харитоновым В.А., Твердохлебовым В.А., Тюриным С.Ф. и др. В последние годы всё чаще говорят о «живучести», когда речь идёт об отказах, вызванных внешними поражающими воздействиями.
Однако научно-методический аппарат восстановления логики ПЛИС после отказов в настоящее время в полной мере не разработан. Поэтому предметом исследования являются методы и модели создания отказоустойчивых конфигурируемых блоков - КБ ПЛИС на основе восстановления логики.
Таким образом, необходимость развития методов и средств повышения отказоустойчивости электронной компонентной базы обуславливает актуальность научной задачи исследования и разработки моделей и методик синтеза отказоустойчивых конфигурируемых блоков ПЛИС.
Цель работы - совершенствование научно-методического аппарата синтеза отказоустойчивых конфигурируемых блоков ПЛИС на основе элементов с избыточным базисом (функционально-полных толерантных элементов).
Достижение поставленной цели обеспечивается постановкой и решением в диссертационной работе следующих задач:
модификация и решение уравнения сохранения функциональной полноты элемента с четырьмя входами с учетом модели замыканий;
совершенствование алгоритма представления произвольной булевой функции в функционально полном толерантном (ФПТ) базисе и остаточных базисах;
разработка методики синтеза конфигурируемых блоков на основе ФПТ элементов.
Методы исследования: теория булевых функций и автоматов, комбинаторика, теория надёжности.
Основные положения, выносимые на защиту:
повышение отказоустойчивости конфигурируемых блоков ПЛИС предлагается путём использования элементов с избыточным базисом -функционально-полных толерантных элементов, сохраняющих функциональную полноту, как при модели однократных константных отказов входов, так и при модели замыканий двух входов;
рекомендуется фиксирование остаточных базисов элементов после глубокого диагностирования имеющимися средствами ПЛИС для использования при переконфигурировании мелкозернистых ПЛИС;
- для крупнозернистых ПЛИС на основе ФПТ мультиплексоров
целесообразно «деление» с выявлением и последующим использованием
работоспособной доли либо самостоятельно, либо путём восстановления из
отказавших мультиплексоров одного полного;
- предлагается усовершенствование пассивной отказоустойчивости на
основе структурного резервирования (дублирование, мажоритирование,
6 глубокое мажоритирование) путём использования в каждом канале скользящего резервирования с восстановлением элементов из отказавших, но сохранивших базис.
Научная новизна результатов:
усовершенствована методика построения ФПТ функции, с помощью которой получено и решено уравнение сохранения функциональной полноты элемента с четырьмя входами с учетом модели замыканий переменных;
установлено, что ФПТ функция x\Xi VX3X4 сохраняет базис и при модели замыканий двух переменных;
впервые определены остаточные базисы для комбинированной модели отказов - константных однократных и замыканий двух переменных -16 базисов;
усовершенствован алгоритм представления произвольной булевой функции в ФПТ базисе и новых остаточных базисах на основе предложенного правила инверсирования ортогональных конъюнкций и верификации результатов расчётов;
разработана методика синтеза конфигурируемых блоков на основе ФПТ элементов и математических моделей активно и пассивно отказоустойчивой ПЛИС-ФПТ с переходом на остаточные базисы.
Достоверность исследования подтверждается проверкой результатов решения предложенного уравнения сохранения функциональной полноты с помощью разработанной программы, а также путём проверки соответствия полученных решений теореме Поста; верификацией представления булевых функций в заданных базисах путём вычисления соответствующих конъюнкций (решение обратной задачи); проверкой автоматически синтезированных схем с помощью схемотехнического моделирования в системе «Quartus II» фирмы Altera; использованием апробированного математического аппарата булевой алгебры, теории автоматов и теории надёжности.
7 Практическая значимость диссертации:
- разработаны алгоритм и программа решения логического уравнения
сохранения функциональной полноты;
разработана программа автоматизированного синтеза комбинационной схемы в ФПТ базисе и остаточных базисах, позволяющая ускорить построение схемы и оценить сложность реализации и коэффициент готовности;
предложена линейка вариантов реализации восстанавливаемой логики на основе избыточных базисов элементов, позволяющих повысить отказоустойчивость цифровых схем;
разработаны технические решения типовых комбинационных схем в новом ФПТ базисе, обеспечивающем снижение сложности типовых схем.
Таким образом, разработанные в диссертации теоретические положения и методики синтеза и анализа КБ ПЛИС позволяют повысить отказоустойчивость ПЛИС за счёт восстановления логики.
Реализация результатов работы. Полученные результаты внедрены в ОАО «СТАР» (г. Пермь) и ЗАО «ИВС» (г. Пермь).
Результаты работы используются на кафедре «Автоматика и
телемеханика» Пермского национального исследовательского
политехнического университета при преподавании дисциплин «Надёжность систем автоматизации» и «Основы схемотехники», а также на кафедре «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» Пермского военного института внутренних войск МВД России при преподавании дисциплин «Теория автоматов», «Схемотехника ЭВМ».
Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались на Всероссийской научно-технической конференции «Информация, инновации, инвестиции» (Пермь, 2006), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Пермь, 2007, 2008), Международной научно-технической конференции «Dependable Systems, Services and Technologies
8 (DeSSerT)» (Украина, Кировоград, 2007, 2009), Международной интернет-конференции «Инновационные технологии: теория, инструменты, практика» (Пермь, 2010), Международной научно-технической конференции «Вычислительный интеллект» (Украина, Черкассы, 2011).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 научных работах, в том числе в двух статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 81 наименования и шести приложений. Работа представлена на 267 с, в том числе 167 с. основного текста, содержит 97 рисунков и 76 таблиц.
