基于FPGA动态可重构技术的仿生容错系统研究

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1、基于FPGA动态可重构技术的仿生容错系统研究摘要Ca年来应用生物概念解决工程问题是很热门的方法，例如遗传算法、神经网络、人工智能等。本文的仿生容错方法也属于这个范畴，它的灵感来源于生物细胞的胚胎发展过程。由相同处理单元阵列组成的并行系统，在处理许多计算密集型的应用上是非常有效的。本论文的目的就是设计一个并行系统，由生物细胞的胚胎发展过程得到灵感，使其具有自检测和自修复能力，并能容易地配置成由相同处理单元组成的阵列形式。最后在一个基于MUXTREEFPGA的二次模型上实现了一个仿生容错加法器的设计。由于模式复杂、尺寸和形状可变的大规模

2、可编程逻辑单元的配置，同细胞自动机里的自复制十分相似。因此我们希望利用后者的知识，开发出一种新方法应用于前者。这项研究的第一个任务就是要开发一个新型自复制细胞自动机，它可以对单元阵列进行配置和划分，用户根据特定的应用，能够对阵列和处理器的大小进行编程。同时它要尽量简单以便于硬件实现。第二个主要研究方向是，开发具有自检测和自修复功能的MUXTREEFPGA的二次模型。这里面临的主要挑战是，要求所用的逻辑数最少，同时又要满足仿生系统的要求。在设计自检测机制时，采用了部分在线(电路运行中)部分下线(电路处于配置阶段)的混合方法。自修复是用

3、一个非常简单的配置机制实现的，通过它可以使备用单元自动地代替出错单元，保证系统的正常运行。我们在XilinxFoundationFPGA的开发系统中，进行了具体的电路设计和功能仿真，并在XilinxVirtex-EXCV600E芯片上进行了硬件实现，得到了比较满意的结果。少本论文的章节是这样安排的:第一章介绍了容错系统研究的基本知识和技术;第二章介绍了仿生容错系统的设计原理，重点介绍了自复制和自修复的设计。也对仿生容错系统作了可靠性分析;第三章介绍了基于MUXTREEFPGA仿生容错模型的建立及其硬件实现。第四章是实验部分，首先基于

4、MUXTREE容错模型设计了一个仿生容错加法器，然后又基于传统的三模冗余结构设计了一个容错加法器，通过比较，验证了仿生容错方法的优越性;第五章是总结和展望，对本论文作了总结，并对将来容错技术的发展及其应用作了展望。关键词:容错，、胚胎电子学，一自复sl},自修复‘MuxTreeFPGATheResearchontheBio-inspiredFault-toleranceSystemBasedonFPGADynamicRe-AbstractRecently,itisverypopulartoapplybiologicalconcept

5、tosolveengineeringproblem,suchasGA(geneticNN(neuralnetwork)andAI(artificialintelligence).Thebio-inspiredfaulttolerance,whichdrawsinspirationfromtheembryologicalprocessesoflivingbeings,alsobelongstothecategory.Theparallelsystemswhichconsistofanarrayofidenticalprocessing

6、elementsexecutingthesameoperationsarrayprocessorsareveryinterestingapproachesforhandlingmanycomputationallyintensiveapplications.Themaingoalofthethesiswasthereforetodesignsuchaparallelsystem,drawinginspirationfromtheworldofbiologicalorganismsoastorenderitcapableofbuilt

7、-inself-testandself-repair,aswellasofbeingeasilyconfiguredasanarrayofidenticalprocessors(thecells).Atlast,weimplementabi。一，aspiredfault-toleranceadderonasecondarymodelofFPGA-MuxTreeFPGA.Theconfigurationoflargearraysofprogrammablelogicelementsofvariablesizeandshapewitha

8、repetitivepaternofidenticalprocessingelementsbearsastrongresemblancetotheproblemofself-replicationincellularautomata.