基于双模冗余的胚胎电子细胞阵列在线故障检测.pdf

2 0 1 7 年6 月 第4 3 卷第6 期 北京航空航天大学学报 J o u r n a lo fB e i j i n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s J u n e2 0 1 7 V o l _ 4 3N o 6 h t t p ：f fb h x b b u a a e d u e n j b u a a b u a a e d u c a D O I ：1 0 1 3 7 0 0 j b h 1 0 0 1 5 9 6 5 2 0 1 6 0 7 4 5 基于双模冗余的胚胎电子细胞阵列在线故障检测 李丹阳，蔡金燕，孟亚峰4 ，朱赛 ( 军械工程学院电子与光学工程系，石家庄0 5 0 0 0 3 ) 摘要：针对胚胎电子细胞阵列在线故障检测设计困难、检测率低、检测率难以准确 计算等问题，提出了一种基于双模冗余的在线故障检测方法和一种基于电路等价性验证的故 障检测率分析方法。设计了一种适用于查找表型功能单元的新型检测器，并开发了自动化设 计程序。针对单固定型故障，将电路转变为待验证电路，再通过故障注入和等价性验证，可以 快速精确地计算电路的故障检测率。仿真实验选取1 6 个不同规模的标准电路，分别映射在胚 胎电子细胞阵列中，分析了双模冗余后面积、延时变化情况和双模冗余的故障检测率。仿真结 果给出了较为详细的面积消耗、电路延时和故障检测率等数据，并验证了本文方法具有很高的 故障检测率。 关键词：胚胎电子细胞阵列；在线故障检测；双模冗余；自动化设计；等价性验证 中图分类号：T P 3 0 2 8 文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 5 9 6 5 ( 2 0 1 7 ) 0 6 1 1 1 2 - 1 1 胚胎电子细胞阵列是一种新型的具有故障自 检测和自修复能力的高可靠性硬件。在环境恶 劣，人工维修难以开展以及对任务要求严苛，需要 电子设备长时间连续可靠运行的领域，如深海、深 空、强辐射等领域，具有广阔的应用前景。 自胚胎电子细胞阵列的概念提出以来，阵列 内故障的实时在线检测问题一直是一个亟待解决 的关键性问题。国内外众多学者针对这个问题开 展了大量的研究，总结目前已有的故障检测方法， 主要的设计思路可分为4 类： 1 ) 第1 类设计思路是细胞内或细胞间特定 模块的局部检测。比如针对功能模块的双模冗余 ( D u a lM o d u l a rR e d u n d a n c y ，D M R ) 检测。，针对 存储模块的故障检测5 1 ，针对细胞问连线的冗 余检测。6 1 ，或者单个电子细胞的双模冗余检测7 。 等。采用这类局部检测方法可以有效检测细胞内 部及细胞间的各类资源故障，但是细胞结构需要 根据具体的检测目标进行特定的设计，因此检测 能力受到电子细胞结构的影响，而且细胞中的故 障检测单元往往较少考虑自身的自检问题。 2 ) 第2 类设计思路是采用外部检测资源对 胚胎电子细胞阵列的输入输出进行实时检测。比 如文献 8 等。这种方法对外部检测资源的要求 很高，当电路规模很小时，比较有效，但随着电路 规模增大，尤其当胚胎电子细胞阵列实现时序逻 辑电路功能时，输入输出序列千变万化。如果完 全记录这些状态，需要消耗很大的存储资源，如果 采用免疫学习、神经网络等方法，则需要很长的学 习时间。因此这种方法受到胚胎电子细胞阵列规 模的限制，而且过分依靠外部资源，对胚胎电子细 胞阵列本身的空闲资源利用不足。 3 ) 第3 类设计思路是在阵列内设计在线 B I S T ( B u i l t I nS e l f - T e s t ) 结构9 1 “。比较有代表性 的有原核电子细胞阵列结构1 1 。”1 和充分利用电 收稿日期：2 0 1 6 _ 0 9 1 9 ；录用日期：2 0 1 6 1 2 - 2 3 ；网络出版时间：2 0 1 7 m 1 1 11 4 ：1 4 网络出版地址：W W Wc n k i n e t k e m s d e t a i l 1 1 2 6 2 5 V 2 0 1 7 0 1 1 1 1 4 1 4 0 0 1 h t m l 基金项目：国家自然科学基金( 6 1 3 7 2 0 3 9 ，6 1 6 0 1 4 9 5 ) 通讯作者：E - m a i l ：m y f r a d 1 6 3 c o m 引用格式：李丹田，蔡金燕，孟亚峰，等基于双模冗余的胚胎电子细胞阵列在线故障检测f J j 北京航空航天大学学报，2 0 1 7 ，4 3 ( 6 ) ：111 2 一J1 2 2 L IDY ，C A IJY ，M E N GYF ，e ta 1 O n l i n ef a u l td e t e c t i o nb a s e do nd u a lm o d u l a rr e d u n d a n c yf o re m b r y o n i c s a r r a y 口J J o u r n a lo f B e i j i n gU n i v e r s i t yo f A e r o n a u t i c sa n dA s t r o n a u t i c s ，2 0 1 7 ，4 3f 6 ) ：J J j 2 - J 1 2 2 ( i nC h i n e s e ) 万方数据 第6 期 李丹阳，等：基于双模冗余的胚胎电子细胞阵列在线故障检测 I l1 3 子细胞阵列可重构特性的R o v i n gS T A R s 孔方法。 基于原核电子细胞结构的原核电子细胞阵列采用 链式的数据总线结构，具有很强的故障检测能力， 但是检测能力受原核电子细胞结构、细胞连接资 源结构以及周围细胞结构限制，通用性不强。以 R o v i n gS T A R s 为代表的另一种在线B I S T 方法，通 过不断地循环配置，将电子阵列中一定区域的电 子细胞配置成为由测试图形产生器( T e s tP a t t e r n G e n e r a t o r ，T P G ) 、输出响应分析器( O u t p u t R e s p o n s eA n a l y z e r ，O R A ) 和被测单元( B l o c kU n d e r T e s t ，B U T ) 构成的B I S T 结构，实现电子阵列的在 线故障检测。这种方法充分利用了电子细胞阵列 的可重构特性，具有硬件资源消耗少、检测能力强 等优点，但是存在故障检测时间长、对电路性能影 响大、对重构控制单元要求高等不足。 4 ) 第4 类设计思路与以上3 种方法有很大 不同，其充分利用电子细胞阵列内的空闲资源，在 电路映射阶段，自动生成一种在线故障检测结构， 实现阵列内故障的实时在线检测。这种方法以文 献 1 4 为代表，与以上3 种方法相比，具有许多 潜在的优势。与第1 种方法相比，故障检测能力 与电子细胞的具体结构无关，仅与映射生成的在 线故障检测结构相关，设计良好的在线故障检测 结构，不仅能够检测单个细胞或细胞间的局部故 障，而且可以对整个工作电子细胞区域进行检测， 故障覆盖率、检测率更高。与第2 种方法相比，充 分利用电子细胞阵列内部的空闲资源，生成检测 结构的过程中不需要先验知识的学习，对于被测 电路的类型和规模没有限制，可扩展性很强，适用 于大规模组合和时序电路，而且对于外部检测资 源的要求非常低。与第3 种方法相比，可以实现 故障的实时检测，检测在电路正常工作时进行，对 电路性能影响小，而且不需要额外的计算和控制 资源。因此，这种设计思路具有一定的研究价值 和良好的研究前景，但是文献 1 4 仅针对组合电 路进行了研究，没有研究时序电路的情况，所采用 的奇偶校验码( p a r i t yc o d e ) 与波格码( B e r g e r c o d e ) ，故障覆盖率有待提高，而且逻辑综合的过 程并不能保证电路的全自检( T o t a l l yS e l f C h e c - k i n g ，T S C ) 特性1 0 0 实现。 本文受第4 类设计思路的启发，提出了一种 基于双模冗余的在线故障检测方法。首先，分析 了双模冗余的故障检测结构所具有的特点及优 势，并针对胚胎电子细胞中的查找表( L o o kU p T a b l e ，L U T ) 型功能单元，设计了专门的检测器， 同时，为了提高设计效率，给出了双模冗余检测结 构的自动化设计方法；然后，为了对双模冗余检测 结构对单固定型故障的检测能力进行更详细的分 析，提出了一种基于电路等价性验证的故障检测 率分析方法；最后，分别选取了8 个不同规模的组 合和时序标准电路进行仿真，仿真结果显示了这 些电路在双模冗余后面积、延时等指标的变化，并 证明了这些双模冗余电路对于单固定型故障具有 很高的故障检测率，为解决胚胎电子细胞阵列的 在线故障检测难题提供了一个新的思路。 1 双模冗余的在线故障检测结构 1 1 双模冗余检测的基本结构 双模冗余的故障检测结构如图1 所示，主要 包括功能电路、双模冗余电路和检测器。其中，双 模冗余电路的逻辑功能与功能电路完全相同，且 具有完全相同的输入。双模冗余电路的输出包括 功能输出和错误信号两部分。其中，功能输出为 功能电路的输出，错误信号为检测器的输出。检 测器的主要功能是比较2 个电路的输出是否相 同，当检测到2 个电路输出不同时，错误信号输出 经过编码的故障信息，否则输出正常信息。经过 特殊设计的检测器也可以反映检测器自身的故障 情况。 输人 图1双模冗余检测结构 F i g I D M R ( - h P t k i n gs t r u ( 。f u r 1 2 胚胎电子细胞阵列中的双模冗余检测结构 1 2 1 胚胎电子细胞阵列的在线故障检测 映射在胚胎电子细胞阵列中的双模冗余在线 检测结构如图2 所示。图中：深色背景的电子 细胞是工作细胞，构成电子细胞阵列的功能电路 翟露八口叠 嶙念蚓j l 姒一园I 舀 叫l 篷嚣余仁；口口 电路厂_ 一；I 口口 图2 胚胎电1 F i g 2 D M Rn l 雕 海E 功输 错信 二 二 磁一 口萱一口口一口嘴一 口一一口口口m腑 哥一口、口俐一 一一一口口一口僦删 万方数据 1 1 1 4 北京航空航天大学学报 部分，实现胚胎电子细胞阵列的逻辑功能；浅色背 景的电子细胞是空闲细胞，在双模冗余检测结构 中被配置成为双模冗余电路和检测器，实现对被 测电路的实时检测；白色背景的电子细胞是未被 利用的空闲细胞。胚胎电子细胞阵列的输出包括 功能电路的功能输出和双模冗余电路输出的错误 信号。 本文提出的基于双模冗余的在线故障检测结 构与一些常见的在线故障检测结构，比如三模冗 余( T r i p l eM o d u l a rR e d u n d a n c y ，T M R ) 、基于错误 检测码( E r r o rD e t e c t i n gC o d e s ，E D C ) 的故障检测 等方法5 。以及在胚胎电子细胞阵列中常用的局 部检测( L o c a lD e t e c t i o n ，L D ) 、人工免疫系统 ( A r t i f i c i a lI m m u n eS y s t e m ，A I S ) 和R o v i n gS T A R s 等检测方法相比，在故障检测率、检测速度、适用 范围和设计难度等方面都具有一定的优势，具体 如表1 所示。 由表1 可知，基于双模冗余的在线故障检测 的主要优势如下： 1 ) 故障检测率高。不仅可以检测电子细胞 内的故障，而且可以检测细胞间的连线故障。 2 ) 检测时间快。能够实现实时在线检测，而 且检测不影响被测电路正常工作。 3 ) 适用范围广。对待测电路没有特殊限制， 可用于组合电路和时序电路，也可用于大规