關(guān)于仿生硬件容錯技術(shù)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(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(shè)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(shè)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(yīng)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(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(shù)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(guān)重要的意義。
。ㄒ唬┡咛バ头律布娜蒎e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(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?删幊踢B線傳遞控制信號控制開關(guān)陣。控制模塊完成細胞的工作狀態(tài)檢測、故障診斷、控制細胞冗余切換。
(二)胚胎型仿生硬件實現(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(yīng)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(chǔ)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(shè)計需求選擇器件,確定硬件設(shè)計方案;
。2)以電路結(jié)構(gòu)及有關(guān)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(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計算群體中的每個個體的適應(yīng)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(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(shè)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(shè)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(yīng)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(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(shù)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(guān)重要的意義。
。ㄒ唬┡咛バ头律布娜蒎e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(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?删幊踢B線傳遞控制信號控制開關(guān)陣。控制模塊完成細胞的工作狀態(tài)檢測、故障診斷、控制細胞冗余切換。
(二)胚胎型仿生硬件實現(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(yīng)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(chǔ)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(shè)計需求選擇器件,確定硬件設(shè)計方案;
。2)以電路結(jié)構(gòu)及有關(guān)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(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計算群體中的每個個體的適應(yīng)度;
本文編號:6458
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