基于FPGA的动态可重构技术在容错领域的应用研究浅析

可重构电子元件技术研究与应用随着工业的发展，电子元件逐渐成为人们日常生活中不可或缺的一部分。

现代电子元件的设计要求越来越高，需要承载更高的工作压力和频率，同时也需要在尽可能小的空间内完成更多的功能。

为了解决这些挑战，可重构电子元件技术应运而生。

可重构电子元件是指由可编程逻辑器件构成的电子元件，可以通过编程软件进行重构，以适应不同的电路需求。

现代电子设备中大量使用可重构元件，例如FPGA（可编程逻辑门阵列）和CPLD（可编程逻辑器件）等。

可重构电子元件的研究始于20世纪50年代，当时研究人员开始关注自适应控制系统和数字信号处理。

但是，随着技术的进步，可重构电子元件被越来越广泛地应用于网络、通讯、嵌入式系统、视频处理等领域。

首先，可重构电子元件的出现可以大大提高设备的可靠性和性能。

可重构电子元件内部由大量的可编程逻辑器件构成，使得它们能够适应不同的电路需求。

无论是需要加强电路的速度、可靠性，还是需要减小设计面积，可重构电子元件都能够应对这些需求。

由于可重构电子元件能够自行调整，并且实现了部分硬件的软件控制，这样就免去了开发时需要进行大量的硬件设计的过程，提高了设备的开发效率和升级灵活性。

其次，可重构电子元件可以大大缩短产品开发周期。

由于可重构电子元件的灵活性，开发人员可以快速设计电路，进行仿真和测试，在很短的时间内完成电路的设计制作。

而且，由于可重构电子元件可以在不同的应用项目之间进行复用，这样也使得开发人员更容易把一些已经完成的电路的部分甚至完整的设计在其他应用中快速使用。

这样，一些项目中的历史数据、经验教训等都可以得到快速的积累和传承，极大地加速了新产品的上市周期。

最后，可重构电子元件还可以降低系统的成本和风险。

由于可重构电子元件的设计可以灵活适应改变，这样可以大大减少开发过程中的成本风险。

此外，由于可重构电子元件可以复用，开发成本也大大降低，对于小批量生产，特别是中小型企业，使用可重构电子元件可以更好地降低开发成本和风险，提高企业的生产效率和盈利能力。

一种基于FPGA的低功耗容错状态机设计方法A FPGA-Based Design Method of Low Powerfault-tolerancefinite state machineLI Lie-wen ,GUI Wei-hua , HU Xiao-long( School of Information Science and Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract: Considering the reliability and power consumption problems of FPGA in aviation and spaceflight application field, a new design method of low power and fault-tolerance finite state machine suitable for FPGA was presented. Different from traditional occupying routing resources, looking up tables and registers, the method was realized by mapping finite-state machines into embedded blocks RAM of FPGA and employing two RAM blocks to compose the duple-redundancy structure to confirm data errors in RAM through comparing consistency of two blocks RAM output data and combining with parity check for error detection and correction. The experimental resultsshow that the method has the advantages of lower power, higher reliability, and achieving an error on-line error correction compared with the traditionaltriple-redundancy method.Key words:low power;finite statemachine;fault-tolerance;Field Programmable Gate Array(FPGA)现场可编程门阵列(FPGA) 以其高性能、可重构、设计周期短等优势,被认为是在航空航天领域的重要器件。

Analysis of the Fundamental and ImplementationMethod about Dynamic R ecofigurable FPGAQIN Xiang2Ju1,2,ZHU Ming2Cheng2,ZH ANG Tai2Yi2,3,WEI Zhong2Yi11.Eletronic&Information Dpt.XI’AN Institute o f Technology and Engineering Science,Xi’an710048,China;2.Collegeo fInformation Engineering o f Shenzhen Univer sity,Shenzhen516080,China;3.Eletronic&Information Dpt.XI’AN Jiaotong Univer sity,Xi’an710049,ChinaAbstract:　Dynamic Recon fogurable Field Programmable G ate Array(DR2FPG A)can con figure its partial or total logic res ources at run time,and change its functions on system in high speed.This paper presents s ome studies of DR2 FPG A,including basic architecture,recon figuration fundamental,C AD tools and im plement methods.Application of DR2FPG A is useful for designing high2performance systems,and helps to save hardware res ources.K ey w ords:　FPG A;static recon figuration;dynamic recon figuration;total recon figuration;partial recon figuration EEACC:　1265B;1130BFPG A动态可重构技术原理及实现方法分析覃祥菊1,2,朱明程2,张太镒1,3,魏忠义11.西安工程科技学院电子与信息工程系　,西安　710048;2.深圳大学E DA中心,深圳516080;3.西安交通大学电信学院,西安　710049摘要:FPG A动态重构技术主要是指对于特定结构的FPG A芯片,在一定的控制逻辑的驱动下,对芯片的全部或部分逻辑资源实现在系统的高速的功能变换,从而实现硬件的时分复用,,节省逻辑资源。

一种面向多核的可重构容错方法张绍林;杨孟飞;刘鸿瑾;姜宏;王若川【期刊名称】《计算机科学》【年(卷),期】2014(041)005【摘要】随着二代导航、载人航天、深空探测等空间应用对星载电子产品的低功耗和抗辐射容错能力提出更高的需求,传统多机冗余设计星载计算机面临着亟需进行设计升级换代.将可重构技术应用到多核片上系统的设计中,提出了一种基于动态可重构的容错体系结构,在硬件层提高系统的容错能力和扩展性对未来空间工程应用具有重要意义.首先介绍了多核片上系统和可重构技术的基本概念,简要分析了国际宇航可重构系统的研究案例.随后提出了一种基于动态可重构的容错体系结构,即通过基于系统降级的重构策略来实现系统级容错.在方案验证环节,采用LE-ON3作为处理单元,对容错模块功能进行了仿真验证.仿真结果表明,容错控制满足预期的设计需求.最后对后续工作做了简要规划,并对可重构容错方法设计进行了总结.【总页数】5页(P59-63)【作者】张绍林;杨孟飞;刘鸿瑾;姜宏;王若川【作者单位】北京控制工程研究所北京100190;北京控制工程研究所北京100190;中国空间技术研究院北京100094;北京控制工程研究所北京100190;北京控制工程研究所北京100190;北京控制工程研究所北京100190【正文语种】中文【中图分类】TP302.8【相关文献】1.一种面向多核处理器I/O系统软错误容错方法 [J], 郭御风;郭诵忻;龚锐2.一种面向多核处理器粗粒度的应用级Cache划分方法 [J], 所光3.面向混联机床的机械系统容错重构规划方法研究 [J], 李登静;范守文;姬鹏升4.一种面向多核DSP芯片的低功耗验证方法 [J], 孙健;时鹏飞;冯春阳;蒙玲;张辉5.一种面向嵌入式多核系统的任务调度方法 [J], 吕鹏伟;刘从新;沈绪榜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

《基于FPGA的多核处理器系统的研究与设计》篇一一、引言随着科技的发展，多核处理器系统在各个领域的应用越来越广泛。

FPGA（现场可编程门阵列）作为一种可定制的硬件设备，具有高速度、低功耗和灵活性等优点，被广泛应用于高性能计算、图像处理、网络通信等领域。

本文旨在研究并设计一个基于FPGA的多核处理器系统，以提高系统的处理能力和效率。

二、多核处理器系统概述多核处理器系统是指在一个芯片上集成多个独立的处理器核心，通过共享缓存和总线等资源实现协同工作。

这种系统具有高并行性、高处理能力和低功耗等优点，被广泛应用于高性能计算、人工智能、大数据处理等领域。

三、FPGA技术及其优势FPGA是一种可编程的硬件设备，其内部包含大量的逻辑门电路和可配置的连接关系。

通过编程，FPGA可以实现各种复杂的数字电路和系统。

与传统的处理器相比，FPGA具有以下优势：1. 高速度：FPGA采用并行计算的方式，可以同时处理多个任务，具有极高的处理速度。

2. 低功耗：FPGA的功耗较低，适用于需要长时间运行的设备。

3. 灵活性：FPGA具有可编程性，可以根据不同的需求进行定制化设计。

四、基于FPGA的多核处理器系统设计基于FPGA的多核处理器系统设计主要包括以下几个方面：1. 系统架构设计：根据需求确定系统的核心数量、缓存大小、总线结构等参数。

2. 处理器核心设计：设计多个独立的处理器核心，每个核心具有独立的寄存器、ALU（算术逻辑单元）和寄存器文件等。

3. 共享资源设计：设计共享的缓存和总线等资源，实现多个核心之间的协同工作。

4. FPGA编程与实现：使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）对系统进行编程，并将程序烧录到FPGA芯片中。

五、系统实现与测试在完成系统设计后，需要进行实现与测试。

具体步骤如下：1. 编译与烧录：使用FPGA开发工具对程序进行编译，并将编译后的程序烧录到FPGA芯片中。

2. 功能测试：对系统进行功能测试，验证各个模块的功能是否正常。

可重构逻辑器件的设计与应用研究随着现代电子技术不断发展，人们对于可编程和可重构的逻辑器件的需求不断增加。

可重构逻辑器件是一类可以根据需求进行编程和重配置的器件，具有极高的灵活性和可扩展性，被广泛应用于数字逻辑电路的设计和实现中。

本文将介绍可重构逻辑器件的设计与应用研究，分别从器件结构、设计流程和应用案例等多个方面进行讲述。

一、可重构逻辑器件的结构可重构逻辑器件一般由FPGA（Field Programmable Gate Array）和CPLD （Complex Programmable Logic Device）两个大类构成。

FPGA是一种基于查找表技术实现可重构逻辑的器件，其内部包含多个逻辑单元、输入输出接口和程序存储器等部件，可以实现复杂的数字逻辑运算和数据处理。

CPLD则是一种多可编程逻辑单元构成的可重构逻辑器件，其内部包含多个可编程的逻辑芯片和触发器等部件，综合了FPGA和ASIC（Application Specific Integrated Circuit）的优点。

另外，随着科技的不断进步，新的可重构逻辑器件平台不断涌现，如DINC （Dynamic Invisible Network Computing）、FISA（Flexibly Interconnected Scalable Array）和SCGRA（Stochastic Control Generalized Regular Architecture）等，这些平台均具有高性能、低功耗和可扩展性等优点，被广泛应用于高性能计算、机器学习、嵌入式系统等领域。

二、可重构逻辑器件的设计流程可重构逻辑器件的设计流程可以分为三个主要阶段：硬件描述语言编写、逻辑验证和实现下载。

硬件描述语言编写是可重构逻辑器件设计的关键步骤，主要目的是将设计所需的功能转化为硬件描述语言的形式，如Verilog和VHDL等。

逻辑验证是为了保证设计的正确性和功能实现的准确性，其方法包括仿真和验证板测试等，可以帮助设计人员尽早发现和修复错误。

FPGA三模冗余工具的关键技术与发展
陈雷;张瑶伟;王硕;周婧;田春生;庞永江;马筱婧;周冲;杜忠
【期刊名称】《电子与信息学报》
【年(卷),期】2022(44)6
【摘要】SRAM型现场可编程门阵列(FPGA)在空间辐射环境中容易受到单粒子效应的影响,从而发生软错误,三模冗余技术(TMR)是目前使用最广泛的缓解FPGA软错误的电路加固技术。

该文首先介绍了三模冗余技术研究现状,然后总结了三模冗余工具常用的细粒度TMR技术、系统分级技术、配置刷新技术、状态同步技术4项关键技术及其实现原理。

随着FPGA的高层次综合技术愈发成熟,基于高层次综合的三模冗余工具逐渐成为新的研究分支,该文分类介绍了当前主流的基于寄存器传输级的三模冗余工具,基于重要软核资源的三模冗余工具,以及新兴的基于高层次综合的三模冗余工具,最后对FPGA三模冗余工具的未来发展趋势进行了总结与展望。

【总页数】15页(P2230-2244)
【作者】陈雷;张瑶伟;王硕;周婧;田春生;庞永江;马筱婧;周冲;杜忠
【作者单位】北京微电子技术研究所;北京大学信息科学技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN47
【相关文献】
1.SRAM型FPGA的基于可观性度量的选择性三模冗余方法
2.基于FPGA动态可重构计算机的三模冗余改进法
3.SRAM工艺FPGA三模冗余设计故障管理与恢复
4.基于三模冗余架构的航天器FPGA可靠性设计
5.一种面向SRAM型FPGA的三模冗余分区自修复方法研究
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基于动态可重构FPGA的容错技术研究摘要：针对重构文件的大小、动态容错时隙的长短、实现的复杂性、模块间通信方式、冗余资源的比例与布局等关键问题进行了分析。

并对一些突出问题，提出了基于算法和资源多级分块的解决方法，阐述了新方法的性能，及其具有的高灵活性高、粒度等参数可选择、重构布线可靠性高、系统工作频率有保障的优点。

关键词：容错；动态重构；Retiming；STARs 太空中存在大量的宇宙射线和高能带电粒子，它们对星载电子系统的照射会导致系统出错，甚至永久损坏。

其所造成的辐射效应主要有位移损伤效应、电离辐射总剂量效应、瞬时电离辐射效应、单粒子效应等。

而且由于器件集成度高，每个记忆单元的尺寸小，引起翻转所需的临界电荷也小，所以SEU 的问题在空间器件上越来越严重。

现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)灵活、可重构的特性，对于克服器件设计错误和后天所导致的故障有效。

基于可动态可重构FPGA，动态容错技术在理论上已得到发展，并出现了多种方法，其基本原理都是将备用的配置文件重新装载到FPGA 上，以消除原有的暂态错误或者绕过故障区。

但在实际应用过程中涉及到许多问题。

容错粒度的大小选择，是其中较突出的一个，这会影响到重构文件的大小、动态容错时隙的长短、资源利用率、实现的复杂度等方面。

另外模块间通信方式、检错与定位的实现、冗余资源的比例与布局、暂态与永久错误的处理与分析都是有待深入研究的问题，很多方法过于复杂不容易实现或者过于简单而容错性能得不到保障，并且对以上这些问题分析不充分。

本文基于多种具体的实现方法，对这些问题进行了全面的分析与研究，并权衡各个方面，提出了基于算法和资源多级分块的方法，对其性能进行了分析。

这种方法中粒度、冗余资源比例等多项参数可以选择，重构时没有模块间布线的要求，能有效保障系统工作频率。

1 基于动态可重构。