基于FPGA動態可重構技術的二模冗余MIPS處理器

　　ERR_VERIF 模塊的故障分析方法為比較法。它將執行同樣指令且同步運行的兩個子系統的執行結果進行比較，當發現結果不一致時，就表示其中一個子系統出現了故障，這時需要使用BIST模塊去主動定位故障位置。而BIST進行故障分析的方法與ERR_VERIF模塊使用的方法本質上是相同的，但是實現方式不同。BIST模塊將被測試模塊產生的輸出與BIST內部存儲好的預期的輸出進行比較，來測試被測模塊是否出現故障。

　　檢測出的故障情況有3 種：主子系統故障、備份子系統工作正常;主子系統正常、備份子系統故障;主系統子系統和備份子系統均出錯。BIST模塊檢測出故障情況后，會將故障情況顯示于故障燈(也就是A、B、C)上。當3個故障燈中有燈亮時，則表示系統出現故障。燈A、B亮，表示主子系統出現故障;燈A、C亮，表示備份子系統出現故障;燈A、B、C亮，表示兩子系統均出現了故障。在出現故障后，系統會根據具體情況，對系統輸出進行調整。當主子系統出現故障而備份子系統未出現故障時，系統輸出則來自備份子系統;當備份子系統出現故障而主子系統未出現故障，系統輸出則來自主子系統。當兩子系統都出現了問題時，則需要停機維護。當其中一個子系統出現故障時，需要將無故障的子系統比特流重新下載入FPGA系統中。在下載時，系統的工作無需停止。

　　3 內建自測試技術與BIST結構分析

　　內建自測試技術(Build?in Self Test，BIST)是指在設計電路時，為了及時監測系統的狀態，而設計一部分自測試電路來測試電路運行是否正常。BIST系統主要組成部分有測試向量生成、測試輸入隔離、輸出結果反饋分析和測試控制等，如圖2(a)所示。

　　測試向量生成部分用于產生要輸入到被測模塊的測試向量，測試向量的生成含有兩部分：測試輸入的生成和測試結果的生成。測試輸入用于作為被測電路的數據輸入，而測試結果則用于對反饋結果的分析。測試輸入隔離部分用于將BIST模塊的測試向量輸入和正常輸入相分離。輸出結果反饋分析部分用于分析被測電路中輸出結果的正確性，并向外輸出電路故障信息。

　　只用一組測試向量對電路故障進行測試將不具有可信度，所以在BIST技術中，通常需要使用多組測試向量對被測電路進行測試，因此在測試時需要一定的時序控制機制，測試控制部分用于完成測試的時序邏輯的控制。

　　圖 2(b)為系統中的BIST模塊的詳細結構圖。其中“自測試向量Memory”和“自測試結果Memory”的功能相當于圖2(a)中測試向量生成器的功能，“自測試向量Memory”用于存放測試輸入向量，“自測試結果Memory”用于存放測試對比結果。而“時序控制FSM”用于對測試時序的控制，包括測試向量地址生成、測試結果地址生成和測試輸入隔離控制等。“結果比對器”用于將MIPS實時輸出結果與“自測試結果Memory”單元的輸出結果進行比較。“結果分析輸出”單元是一個狀態機，將根據“結果比對器”的輸入來進行狀態轉換。圖3為具體的時序控制狀態機。

　　4 系統測試與分析

　　二模冗余系統的內建自測試中一共測試了6條指令。由于在實驗中無法模擬出系統出現隨機錯誤的情況，故測試時在電路中設置了一個人為出錯的控制電路來產生系統故障。實驗結果證明當二模系統出現故障時，BIST會自動啟動去檢測系統故障位置。當系統出現故障時，通過對出錯部分的重新配置，可以使得系統恢復正常。

　　結語

　　本文根據FPGA動態部分重構技術、二模冗余技術，設計了一個基于二模冗余的MIPS處理器系統，系統可以對系統錯誤進行自行檢測和錯誤自行定位，經測試系統可以正常運行。本系統下一步的工作是進一步完善故障自檢測系統和設計故障的自修復系統。