Введение к работе
Актуальность работы. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) это универсальный базис для проектирования цифровых устройств любого уровня сложности, который в настоящее время применяется повсеместно. Они активно применяются и в аппаратуре специального назначения, в которой большое внимание уделяется надежности элементной базы. В том числе остро стоит проблема повышения отказоустойчивости ПЛИС.
В настоящее время большое количество работ посвящено вопросу повышения отказоустойчивости ПЛИС, которое, как правило, осуществляется за счет резерва. Так в работах В. Хаханова представлены методы восстановления работоспособности ПЛИС при отказах путем покрытия дефектных блоков резервными блоками, в работах С. Уварова предлагается восстановление ПЛИС с помощью резервирования на уровне ячеек, F. Meyer и D. Paradham предлагают ввести резервный столбец ячеек, N. Hastie и R. Cliff резервный столбец и строку, J. Emmert предлагает ввести специальную шину с помощью, которой будет происходить замена отказавшей ячейки. Недостатком данных подходов является то, что ячейки с отказами при дальнейшей работе не используются.
В работах С. Тюрина и А. Грекова предложена концепция элементов с избыточным базисом (функционально-полных толерантных элементов - ФПТ элементов). Особенностью данных элементов является сохранение ограниченной функциональности при отказах удовлетворяющих заданной модели, за счет избыточности введенной на этапе создания элемента. Первоначально были предложены элементы способные сохранять функциональную полноту. Дальнейшим развитием данного подхода стали элементы с избыточным базисом, сохраняющие базисную булеву функцию (ФПТ+) при отказах удовлетворяющих заданной модели отказов. Однако, в данных работах не учитывались отказы произвольной кратности к, кроме того синтез элементов осуществлялся на основе стандартных вентилей 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, что приводило к большим аппаратным затратам.
Использование элементов с избыточным базисом, сохраняющих базисную булеву функцию позволяет обеспечить парирование отказов в логических ячейках. Однако, аппаратные затраты на реализацию элементов с избыточным базисом, сохраняющих базисную булеву функцию существенно превышают затраты на реализацию элементов с избыточным базисом, сохраняющих функциональную полноту. Поэтому целесообразно синтезировать логические ячейки ПЛИС на основе КМОП элементов с избыточным базисом сохраняющих функциональную полноту и парировать отказы с помощью проведения
дополнительных процедур реконфигурации, что позволит использовать остаточный базис. Однако, в литературе алгоритмов реконфигурации ПЛИС на основе элементов с избыточным базисом не представлено.
Таким образом, актуальным является проведение исследований в области создания методов и алгоритмов повышения отказоустойчивости ПЛИС на основе использования КМОП элементов с избыточным базисом в составе логических ячеек программируемых логических интегральных схем.
Объектом исследования являются программируемые логические интегральные схемы.
Предметом исследования являются отказоустойчивые программируемые логические интегральные схемы на основе КМОП элементов с избыточным базисом.
Цель работы - повышение отказоустойчивости программируемых логических интегральных схем на основе КМОП элементов с избыточным базисом.
Достижение указанной цели обеспечивается постановкой и решением в диссертационной работе следующих задач:
-
разработка метода синтеза КМОП логических элементов с избыточным базисом, сохраняющих функциональную полноту при к -кратных отказах;
-
разработка метода синтеза КМОП логических элементов с избыточным базисом, сохраняющих базисную булеву функцию при А-кратных отказах;
-
разработка алгоритма реконфигурации отказоустойчивых ПЛИС на основе КМОП элементов с избыточным базисом;
-
разработка алгоритма поиска остаточного базиса таблиц преобразования LUT (Look-up table) крупнозернистых ПЛИС.
Научная новизна результатов:
разработан новый метод синтеза элементов сохраняющих функциональную полноту, новизна которого в том, что он ориентирован на получение схем элементов на транзисторном уровне и учитывает отказы произвольной кратности к;
разработан новый метод синтеза элементов сохраняющих реализуемую базисную булеву функцию, новизна которого в том, что он ориентирован на получение схем элементов на транзисторном уровне и учитывает отказы произвольной кратности к;
предложен алгоритм реконфигурации отказоустойчивых ПЛИС на основе КМОП элементов с избыточным базисом, новизна которого в том, что он включает процедуры диагностирования и подбора остаточного базиса КМОП
элементов с избыточным базисом, что позволяет парировать однократные константные отказы входов и транзисторов комбинационной части логических элементов ПЛИС;
- предложен алгоритм поиска остаточного базиса таблиц преобразования
крупнозернистых ПЛИС, новизна которого в том, что он позволяет выявлять и
использовать остаточные функциональные возможности таблиц преобразования
при константных отказах транзисторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
метод синтеза КМОП логических элементов с избыточным базисом, сохраняющих функциональную полноту при к -кратных отказах входов и транзисторов;
метод синтеза КМОП логических элементов с избыточным базисом, сохраняющих базисную булеву функцию при к -кратных отказах входов и транзисторов;
алгоритм реконфигурации отказоустойчивых ПЛИС на основе КМОП элементов с избыточным базисом, с подбором остаточного базиса образованного однократными константными отказами входов и транзисторов.
алгоритм поиска остаточного базиса таблиц преобразования крупнозернистых ПЛИС.
Достоверность исследования основывается на соответствии результатов аналитических выводов и данных экспериментальных исследований, а также на сопоставлении полученных результатов с известными работами.
Практическая значимость диссертации состоит в том, что разработаны технические решения КМОП логических элементов с избыточным базисом и RS триггеров на их основе. На ряд принципиальных схем получены патенты. Разработаны контрольные тесты КМОП логических элементов с избыточным базисом, которые позволяют осуществлять проверку технического состояния элементов. Разработана Марковская модель отказоустойчивой ПЛИС на основе КМОП элементов с избыточным базисом, которая позволяет осуществлять расчет устройств на основе программируемых логических интегральных схем. Разработана программа выбора структурной схемы надежности цифровых устройств, которая позволяет автоматизировать процесс выбора структуры отказоустойчивых устройств на основе ПЛИС с КМОП элементами с избыточным базисом. Получены показатели отказоустойчивости различных базовых ячеек ПЛИС при неисправностях удовлетворяющих модели однократных константных отказов входов и транзисторов, которые позволяют анализировать
отказоустойчивость различных ячеек программируемых логических интегральных схем.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертационной работе методы и алгоритмы внедрены в виде ОКР новых образцов отказоустойчивых электронных регуляторов на основе ПЛИС в ОАО «СТАР» (г. Пермь). Применение типовых комбинационных и последовательностных схем на основе КМОП элементов с избыточным базисом показало их устойчивость к однократным отказам входов и транзисторов. Результаты работ внедрены в технические требования на создание новых образцов цифровых регуляторов, осуществляющих управления авиационными двигателями и используются также в учебном процессе на кафедре «Автоматика и телемеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета при преподавании дисциплин «Надежность систем автоматизации» и «Основы схемотехники».
Апробация работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научно-технических конференциях: Международной НТК «Dependable Systems, Services and Technologies (DeSSerT)» (Украина, Кировоград, 2010, 2012), Международной НТК «Вычислительный интеллект» (Украина, Черкассы, 2011), Всероссийской конференции с международным участием "Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения (УКИ-12)" (Москва, 2012), Международной конференции молодых ученых Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2012) и других. Результаты работы докладывались и получили положительную оценку на технических семинарах в Институте проблем информатики РАН (2012) и Институте проблем управления РАН (2013). Работа была удостоена диплома I степени за победу во Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых ученых в области стратегического партнерства вузов и предприятий радиоэлектронной промышленности (Санкт-Петербург, 2010).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 научных статьях, в том числе в трех статьях в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 93 наименования и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 79 рисунков и 17 таблиц. Приложения включают программу выбора структурной схемы надежности и акты внедрения результатов работы.
