[发明专利]基于任务等级的动态自适应SOPC容错方法

说明书

本发明提出了一种基于任务等级的动态自适应SOPC容错方法，用于解决现有技术中存在的用户可用度和资源利用率较低的技术问题，实现步骤为：构建动态自适应可编程片上系统；内部配置访问端口ICAP向FPGA加载任务的全局比特流；FPGA进行区域划分；静态区域获取粒子翻转信号数量；PS端评估任务等级；PS端向ICAP发送配置信息；ICAP向动态可重构区域加载部分比特流；可重构模块执行任务；PS端判断可重构模块是否发生故障；ICAP向故障可重构模块加载部分比特流。本发明将任务执行时间、任务执行截止时间以及故障修复时间作为任务等级划分依据，具有较高的用户可用度以及资源利用率。

技术领域

本发明属于智能容错系统技术领域，涉及一种动态自适应SOPC容错方法，具体涉及一种动态自适应可编程片上系统SOPC容错方法，可应用于空间高辐射和星载环境关键片上系统容错设计。

背景技术

片上系统(SOC，System On Chip)是由单个芯片完成主要逻辑功能的嵌入式系统，可编程片上系统SOPC System On Programmable Chip是一种基于SOC同时具备现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)的特殊嵌入式系统，具有灵活的设计方式。由于SOPC具备软硬件协同系统编程的能力，因此被广泛应用于空间、星载高性能，高可靠计算系统上。

SOPC中包括以FPGA实现的可编程逻辑PL端Programmable Logic及以ARM可编程系统实现的处理器系统PS端Processor System。PS端通过嵌入式软件编程实现控制PL端，PL端负责用户任务的执行。PL端的FPGA芯片采用CMOS工艺技术制备，FPGA芯片内部包含有大量的可编程逻辑资源，控制这些编程逻辑资源的配置存储器CRAM以及存储数据的块存储器BRAM非常容易受到粒子翻转效应的影响从而产生软故障和硬故障，硬故障主要指器件在太空高辐射环境下，被太空高能粒子轰击而产生的硬件损坏故障，由于硬件结构被损坏，所以硬故障无法恢复。软故障则指同样在太空高能粒子的轰击下，并没有对器件的硬件内部结构造成物理损坏，而是导致器件的内部电路逻辑状态发生翻转以及存储器存储的数据发生随机改变，这类错误一般为随机瞬时可恢复性错误。

为了提升FPGA的可靠性和容错能力，针对粒子翻转产生的故障，国内外提出了一系列的容错方法，根据目标环境、可靠性需求、配置技术类型可以分为基于芯片制造工艺的硬件加固技术和基于系统设计改进的容错技术。

基于芯片制造工艺的硬件加固技术主要是从工艺设计方面来提高器件的容错性能。一般多为对产品的封装材料或单元结构进行抗辐射设计，增强器件对辐射的屏蔽功能。这种容错方法对工艺制造技术要求高，代价高昂，而且随着集成电路尺寸越来越小，工艺加固一旦失效就会导致整个电路的逻辑功能失效，且无法自动修复，严重时会造成系统瘫痪。

基于系统设计改进的容错技术主要从门级、系统级容错、器件级、纠检验设计入手，研究如何在发生粒子翻转的情况下使得系统能够不受影响，正常工作。包括冗余容错技术、纠检错码技术、可重构容错技术等。可重构容错技术主要采用刷新的方式对FPGA中的逻辑资源进行重配置，可以分为局部重构和全局重构。局部重构是将FPGA的逻辑资源划分为静态区域以及动态可重构区域，静态区域主要放置一些辅助用户任务执行的模块，动态可重构区域中的可重构模块执行用户任务，得到用户任务的执行结果，然后对可重构模块的执行结果进行投票，判断是否存在可重构模块发生故障，若是，则对故障可重构模块进行局部重构，实现对可重构模块的修复，否则，可重构模块将继续执行用户任务。

例如，申请公布号CN 111338833 A，名称为“一种基于BRAM检测的动态自适应SRAM型FPGA系统容错方法”，公开了一种基于BRAM检测的动态自适应SRAM型FPGA系统容错方法，该方法能够依据辐射环境的情况，计算单粒子翻转率调节系统的不同冗余结构，提高用户任务的可靠性，但其存在的不足之处在于仅依赖外部坏境辐射调节冗余结构，没有考虑用户任务执行时间、故障修复时间以及任务执行截止时间，导致用户可用度和资源的利用率较低。

发明内容