關于仿生硬件容錯技術的探討
發(fā)布時間：2014-07-30 09:07
一、仿生硬件容錯研究現(xiàn)狀
隨著電路系統(tǒng)功能的復雜化，傳統(tǒng)的硬件容錯技術越來越不能滿足日益龐大的電路系統(tǒng)要求。為了提高系統(tǒng)可靠性，人們提出了動態(tài)地對故障進行自檢測、自修復的要求，并努力尋找新的容錯設計方法。研究人員從自然界得到靈感，將自然計算（如進化計算，胚胎理論等）引入到硬件設計中從而形成仿生硬件（Bio-inspired Hardware,BHW）。仿生硬件的概念最初是由瑞士聯(lián)邦工學院于1992年提出的，雖然歷史不長，但其發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已經(jīng)成為國際上的研究熱點之一。仿生硬件早期也稱為進化硬件（Evolvable Hardware,EHW）。A.Thompson等人較早提出了EHW應用于容錯方面的想法。仿生硬件是一種能根據(jù)外部環(huán)境的變化而自主地、動態(tài)地改變自身的結(jié)構(gòu)和行為以適應其生存環(huán)境的硬件電路，它可以像生物一樣具有硬件自適應、自組織、自修復特性。采用仿生硬件實現(xiàn)的容錯，筆耕文化傳播，不需要顯式冗余，而是利用進化本身固有容錯的特性，這種特性帶來的優(yōu)勢是傳統(tǒng)方法通過靜態(tài)冗余實現(xiàn)容錯所不能比擬的。
二、仿生硬件的容錯技術新思路
基于仿生硬件的容錯研究，對建立借鑒生物進化機制的硬件容錯新理論、新模型和新方法，提高硬件系統(tǒng)的可靠性，具有至關重要的意義。
（一）胚胎型仿生硬件的容錯體系結(jié)構(gòu)和容錯原理
仿生硬件可以分為進化型和胚胎型，其中胚胎型仿生硬件也稱為胚胎電子系統(tǒng)，是模仿生物的多細胞容錯機制實現(xiàn)的硬件。
胚胎型仿生硬件的容錯體系結(jié)構(gòu)，主要由胚胎細胞、開關陣和線軌組成。開關陣根據(jù)可編程連線的控制信號完成開關閉合，控制線軌內(nèi)各線段的使用。胚胎細胞包含存儲器、坐標發(fā)生器、I/O換向塊、功能單元、直接連線、可編程連線、控制模塊等。存儲器用于保存配置數(shù)據(jù)位串，并根據(jù)細胞狀態(tài)和坐標發(fā)生器計算出的結(jié)果，從配置位串中提取一段經(jīng)譯碼后對胚胎電子細胞的換向塊和功能單元進行配置。坐標發(fā)生器根據(jù)每個細胞最近兩側(cè)（左側(cè)和下側(cè)）鄰居細胞的坐標為其分配坐標。I/O換向塊為細胞功能單元間的可編程連線提供控制信號。功能單元用于實現(xiàn)一個n輸入的布爾函數(shù)，用于實現(xiàn)所需的細胞功能。直接連線負責功能單元之間的相互通信。可編程連線傳遞控制信號控制開關陣�？刂颇K完成細胞的工作狀態(tài)檢測、故障診斷、控制細胞冗余切換。
�。ǘ┡咛バ头律布䦟崿F(xiàn)容錯的策略
為了實現(xiàn)對故障細胞的容錯，常用的容錯策略有兩種：行（列）取消和細胞取消策略，通過記錄有錯的單元位置，重新布線，用其他備用的單元來代替。
但是對于連線資源故障，這些策略并未給出相應的對策。在深入研究胚胎仿生硬件容錯體系結(jié)構(gòu)的基礎上，本文提出一種針對線軌故障的容錯策略。
1. 行（列）取消策略。在行（列）取消中，若一個細胞出錯，則它所在行（列）的所有細胞都將被取消，而該行（列）細胞的功能將被其上一行（右一列）的細胞所代替，即當一個細胞出錯時，細胞所在行（列）上移（右移）到一個備用行（備用列）來代替它當前的工作。
2. 細胞取消策略。在細胞取消中，用備用細胞代替故障細胞分兩個階段。當某一行的出錯細胞數(shù)超過備用細胞數(shù)時，整行被取消，行細胞上移，用備用行取代出錯行的功能。
�。ㄈ┡咛バ头律布䦟崿F(xiàn)容錯的流程
胚胎型仿生硬件容錯的流程為：
�。�1）根據(jù)設計需求選擇器件，確定硬件設計方案；
�。�2）以電路結(jié)構(gòu)及有關參數(shù)等作為染色體進行編碼，按照進化算法的進化模式對系統(tǒng)進行進化操作；
�。�3）一般以電路的功能與預期結(jié)果的符合程度作為個體的適應度。根據(jù)給定的輸入條件或測試集，通過基于電路模型的仿真測試或?qū)崪y計算群體中的每個個體的適應度；
本文編號：6458
隨著電路系統(tǒng)功能的復雜化，傳統(tǒng)的硬件容錯技術越來越不能滿足日益龐大的電路系統(tǒng)要求。為了提高系統(tǒng)可靠性，人們提出了動態(tài)地對故障進行自檢測、自修復的要求，并努力尋找新的容錯設計方法。研究人員從自然界得到靈感，將自然計算（如進化計算，胚胎理論等）引入到硬件設計中從而形成仿生硬件（Bio-inspired Hardware,BHW）。仿生硬件的概念最初是由瑞士聯(lián)邦工學院于1992年提出的，雖然歷史不長，但其發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在已經(jīng)成為國際上的研究熱點之一。仿生硬件早期也稱為進化硬件（Evolvable Hardware,EHW）。A.Thompson等人較早提出了EHW應用于容錯方面的想法。仿生硬件是一種能根據(jù)外部環(huán)境的變化而自主地、動態(tài)地改變自身的結(jié)構(gòu)和行為以適應其生存環(huán)境的硬件電路，它可以像生物一樣具有硬件自適應、自組織、自修復特性。采用仿生硬件實現(xiàn)的容錯，筆耕文化傳播，不需要顯式冗余，而是利用進化本身固有容錯的特性，這種特性帶來的優(yōu)勢是傳統(tǒng)方法通過靜態(tài)冗余實現(xiàn)容錯所不能比擬的。
二、仿生硬件的容錯技術新思路
基于仿生硬件的容錯研究，對建立借鑒生物進化機制的硬件容錯新理論、新模型和新方法，提高硬件系統(tǒng)的可靠性，具有至關重要的意義。
（一）胚胎型仿生硬件的容錯體系結(jié)構(gòu)和容錯原理
仿生硬件可以分為進化型和胚胎型，其中胚胎型仿生硬件也稱為胚胎電子系統(tǒng)，是模仿生物的多細胞容錯機制實現(xiàn)的硬件。
胚胎型仿生硬件的容錯體系結(jié)構(gòu)，主要由胚胎細胞、開關陣和線軌組成。開關陣根據(jù)可編程連線的控制信號完成開關閉合，控制線軌內(nèi)各線段的使用。胚胎細胞包含存儲器、坐標發(fā)生器、I/O換向塊、功能單元、直接連線、可編程連線、控制模塊等。存儲器用于保存配置數(shù)據(jù)位串，并根據(jù)細胞狀態(tài)和坐標發(fā)生器計算出的結(jié)果，從配置位串中提取一段經(jīng)譯碼后對胚胎電子細胞的換向塊和功能單元進行配置。坐標發(fā)生器根據(jù)每個細胞最近兩側(cè)（左側(cè)和下側(cè)）鄰居細胞的坐標為其分配坐標。I/O換向塊為細胞功能單元間的可編程連線提供控制信號。功能單元用于實現(xiàn)一個n輸入的布爾函數(shù)，用于實現(xiàn)所需的細胞功能。直接連線負責功能單元之間的相互通信。可編程連線傳遞控制信號控制開關陣�？刂颇K完成細胞的工作狀態(tài)檢測、故障診斷、控制細胞冗余切換。
�。ǘ┡咛バ头律布䦟崿F(xiàn)容錯的策略
為了實現(xiàn)對故障細胞的容錯，常用的容錯策略有兩種：行（列）取消和細胞取消策略，通過記錄有錯的單元位置，重新布線，用其他備用的單元來代替。
但是對于連線資源故障，這些策略并未給出相應的對策。在深入研究胚胎仿生硬件容錯體系結(jié)構(gòu)的基礎上，本文提出一種針對線軌故障的容錯策略。
1. 行（列）取消策略。在行（列）取消中，若一個細胞出錯，則它所在行（列）的所有細胞都將被取消，而該行（列）細胞的功能將被其上一行（右一列）的細胞所代替，即當一個細胞出錯時，細胞所在行（列）上移（右移）到一個備用行（備用列）來代替它當前的工作。
2. 細胞取消策略。在細胞取消中，用備用細胞代替故障細胞分兩個階段。當某一行的出錯細胞數(shù)超過備用細胞數(shù)時，整行被取消，行細胞上移，用備用行取代出錯行的功能。
�。ㄈ┡咛バ头律布䦟崿F(xiàn)容錯的流程
胚胎型仿生硬件容錯的流程為：
�。�1）根據(jù)設計需求選擇器件，確定硬件設計方案；
�。�2）以電路結(jié)構(gòu)及有關參數(shù)等作為染色體進行編碼，按照進化算法的進化模式對系統(tǒng)進行進化操作；
�。�3）一般以電路的功能與預期結(jié)果的符合程度作為個體的適應度。根據(jù)給定的輸入條件或測試集，通過基于電路模型的仿真測試或?qū)崪y計算群體中的每個個體的適應度；
本文編號：6458
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