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關(guān)于仿生硬件容錯(cuò)技術(shù)的探討

發(fā)布時(shí)間:2014-07-30 09:07
      一、仿生硬件容錯(cuò)研究現(xiàn)狀
  隨著電路系統(tǒng)功能的復(fù)雜化,傳統(tǒng)的硬件容錯(cuò)技術(shù)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(dòng)態(tài)地對故障進(jìn)行自檢測、自修復(fù)的要求,并努力尋找新的容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法。研究人員從自然界得到靈感,將自然計(jì)算(如進(jìn)化計(jì)算,胚胎理論等)引入到硬件設(shè)計(jì)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(xué)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(diǎn)之一。仿生硬件早期也稱為進(jìn)化硬件(Evolvable Hardware,EHW)。A.Thompson等人較早提出了EHW應(yīng)用于容錯(cuò)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(dòng)態(tài)地改變自身的結(jié)構(gòu)和行為以適應(yīng)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(yīng)、自組織、自修復(fù)特性。采用仿生硬件實(shí)現(xiàn)的容錯(cuò),筆耕文化傳播,不需要顯式冗余,而是利用進(jìn)化本身固有容錯(cuò)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(shí)現(xiàn)容錯(cuò)所不能比擬的。
  二、仿生硬件的容錯(cuò)技術(shù)新思路
  基于仿生硬件的容錯(cuò)研究,對建立借鑒生物進(jìn)化機(jī)制的硬件容錯(cuò)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(guān)重要的意義。
 。ㄒ唬┡咛バ头律布娜蒎e(cuò)體系結(jié)構(gòu)和容錯(cuò)原理
  仿生硬件可以分為進(jìn)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(xì)胞容錯(cuò)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的硬件。
  胚胎型仿生硬件的容錯(cuò)體系結(jié)構(gòu),主要由胚胎細(xì)胞、開關(guān)陣和線軌組成。開關(guān)陣根據(jù)可編程連線的控制信號完成開關(guān)閉合,控制線軌內(nèi)各線段的使用。胚胎細(xì)胞包含存儲器、坐標(biāo)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(xì)胞狀態(tài)和坐標(biāo)發(fā)生器計(jì)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(xì)胞的換向塊和功能單元進(jìn)行配置。坐標(biāo)發(fā)生器根據(jù)每個(gè)細(xì)胞最近兩側(cè)(左側(cè)和下側(cè))鄰居細(xì)胞的坐標(biāo)為其分配坐標(biāo)。I/O換向塊為細(xì)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(shí)現(xiàn)一個(gè)n輸入的布爾函數(shù),用于實(shí)現(xiàn)所需的細(xì)胞功能。直接連線負(fù)責(zé)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(guān)陣。控制模塊完成細(xì)胞的工作狀態(tài)檢測、故障診斷、控制細(xì)胞冗余切換。
  (二)胚胎型仿生硬件實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的策略
  為了實(shí)現(xiàn)對故障細(xì)胞的容錯(cuò),常用的容錯(cuò)策略有兩種:行(列)取消和細(xì)胞取消策略,通過記錄有錯(cuò)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(yīng)的對策。在深入研究胚胎仿生硬件容錯(cuò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文提出一種針對線軌故障的容錯(cuò)策略。
  1. 行(列)取消策略。在行(列)取消中,若一個(gè)細(xì)胞出錯(cuò),則它所在行(列)的所有細(xì)胞都將被取消,而該行(列)細(xì)胞的功能將被其上一行(右一列)的細(xì)胞所代替,即當(dāng)一個(gè)細(xì)胞出錯(cuò)時(shí),細(xì)胞所在行(列)上移(右移)到一個(gè)備用行(備用列)來代替它當(dāng)前的工作。
  2. 細(xì)胞取消策略。在細(xì)胞取消中,用備用細(xì)胞代替故障細(xì)胞分兩個(gè)階段。當(dāng)某一行的出錯(cuò)細(xì)胞數(shù)超過備用細(xì)胞數(shù)時(shí),整行被取消,行細(xì)胞上移,用備用行取代出錯(cuò)行的功能。
 。ㄈ┡咛バ头律布䦟(shí)現(xiàn)容錯(cuò)的流程
  胚胎型仿生硬件容錯(cuò)的流程為:
 。1)根據(jù)設(shè)計(jì)需求選擇器件,確定硬件設(shè)計(jì)方案;
 。2)以電路結(jié)構(gòu)及有關(guān)參數(shù)等作為染色體進(jìn)行編碼,按照進(jìn)化算法的進(jìn)化模式對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)化操作;
 。3)一般以電路的功能與預(yù)期結(jié)果的符合程度作為個(gè)體的適應(yīng)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(jì)算群體中的每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度;       

 



本文編號:6458

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