eng
Выпуск #9/2018
Тюрин Сергей Феофентович, Гончаровский Олег Владленович, Прохоров Андрей Сергеевич
Отказоустойчивая схема голосования
Отказоустойчивая схема голосования
Просмотры: 2941
Надежность и радиационная стойкость цифрового оборудования. Для аэрокосмических компьютерных систем крайне необходимо разработать радиационно-стойкие компоненты. Одним из способов обеспечения радиационной стойкости является создание специальной архитектуры — RHBD (Radiation Hardened by Design). Этот подход включает тройную избыточность (Triple Modular Redundancy — TMR) для уменьшения, вызванного излучением переключения логических элементов (Single Event Transients — SET) и элементов памяти (Single Event Upset — SEU). ПЛИС из-за большого количества конфигурационных модулей элементов неуязвим для воздействия излучения. Поэтому используются одноразовые программируемые устройства с утроением триггеров, например, компанией Actel. Тем не менее, в конфигурируемой памяти SRAM ПЛИС компании Virtex (Xilinx) используется тройная избыточность со схемой большинства голосов на основе тристабильного буфера вместо логического элемента LUT. Такое голосование имеет функции реализации, которые изучаются в статье. Один из вариантов большинства голосов для контактов ПЛИС с использованием функции меньшинства голосов. Только в этом случае нет конфликтов сигналов на выходах буферов. В статье предлагается отказоустойчивая реализация КМОП по схеме большинства голосов и меньшинства с целью повышения надежности и сопротивления излучения ПЛИС.
УДК 681.32
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.314.320
УДК 681.32
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.314.320
Теги: 3-state buffer majority vote circuit minority vote circuit triple module redundancy схема большинства голосов схема меньшинства голосов тристабильный буфер тройная избыточность
ВВЕДЕНИЕ
ПЛИС широко используются в компьютерных технологиях [1–4]. Существуют отказоустойчивые ПЛИС для аэрокосмических компьютерных систем. Специальная архитектура RHBD включает в себя создание избыточных структур, например, с использованием тройной избыточности (TMR) [5–7]. Этот метод поддерживается для архитектуры Virtex для ПЛИС Xilinx [8, 9]. Обычно используется схема большинства голосов, основанная на логических элементах КМОП, «НЕ-И», «НЕ-ИЛИ» (для интегральных схем специального назначения — ASIC, больших интегральных схем — БМК), LUT (таблица поиска — для ПЛИС). Используются схемы большинства голосов на основе таблиц поиска (LUTs), тристабильного буфера (BUFT) и нагрузочного резистора, а также схемы большинства голосов на основе тристабильного буфера со схемами меньшинства голосов без нагрузочного резистора [8].
СХЕМА БОЛЬШИНСТВА ГОЛОСОВ
Тройная избыточность использует три копии одной и той же схемы и выполняет поразрядное «большинство голосов» на выходе тройной схемы [4]. Функция большинства голосов представлена в формуле:
V = AB ∨ BC ∨ AC.(1)
Таблица истинности (1) показана на рис. 1.
Формула (1) является самодвойственной функцией, поэтому:
Eqn001.eps.
Большинство голосов ПЛИС используют таблицы поиска (LUTs).
Eqn002.eps
КМОП представление большинства голосов показано на рис. 2.
Представление LUT большинства голосов показано на рис. 3.
Однако 4 входных представления LUT большинства голосов используют только одну остановку транзисторного дерева.
ТРИСТАБИЛЬНАЯ СХЕМА БОЛЬШИНСТВА ГОЛОСОВ
Схема большинства голосов VirtexTM (Xilinx), основанная на тристабильном буфере (используя Virtex примитивную библиотеку BUFT) вместо таблиц поиска (LUTs), показана на рис. 4.
Анализ работы устройства позволяет установить ситуации конфликта сигналов на выходе — рис. 5.
Моделирование тристабильного буфера схемы большинства голосов, выполненное в системе NI Multisim 10 by National Instruments Electronics Workbench Group, показывает неправильность такой схемы — рис. 6.
Тем не менее, документация указывает на использование Virtex Horizontal Bus Logic (горизонтальная логика шины) [5], которая решает эту проблему. Один возможный способ построения правильной схемы, полученной авторами, представлен на рис. 7а, б.
Осциллограмма рис. 7б подтверждает реализацию функции (1).
ТРИСТАБИЛЬНАЯ СХЕМА БОЛЬШИНСТВА ГОЛОСОВ СО СХЕМОЙ МЕНЬШИНСТВА ГОЛОСОВ
Избежание конфликта сигналов также возможно по тристабильной схеме большинства голосов со схемой меньшинства голосов [6] — рис. 8.
Что значит схема меньшинства голосов? Эта функция имеет форму, представленную в выражении (4):
Eqn003.eps.(4)
Таблица истинности (4) представлена на рис. 9.
Сделаем обозначение — рис. 10.
Функционирование схемы большинства голосов со схемой меньшинства голосов, представленной на рис. 10, описано на рис. 11.
M-выход соответствующего устройства для меньшинства голосов. Делаем вывод, что канал, который отличается от двух других, отключается путем формирования на выходе соответствующего буфера состояния z — рис. 11. На выходе V реализована конъюнкция O1, O2, O3.
КМОП РЕАЛИЗАЦИЯ СХЕМЫ МЕНЬШИНСТВА ГОЛОСОВ
Давайте представим КМОП реализацию функции схемы меньшинства голосов. Предложенная упрощенная КМОП реализация меньшинства голосов в формуле (4) и рис. 10. представлена на рис. 12.
Моделирование КМОП реализации (рис. 12) схемы меньшинства голосов показана на рис. 13, 14.
Моделирование подтверждает эффективность предлагаемой схемы меньшинства голосов.
СХЕМА ГОЛОСОВАНИЯ С ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ
Известная КМОП реализация с тристабильным буфером представлена на рис. 15.
В целях повышения надежности схемы большинства голосов с тристабильным буфером мы предложим схему голосования с избыточностью. Предлагаемый тристабильный буфер с избыточностью представлен на рис. 16.
Сравнение тристабильного буфера с избыточностью и без избыточности [10] представлено на рис. 17.
Выигрыш достигается в значительном диапазоне вероятностей, в отличие от тройной схемы, которая становится хуже без резервирования уже с вероятностью порядка 0,88. Предлагаемая схема меньшинства голосов с избыточностью с учетом ограничения Мида и Конвея [11] показана на рис. 18
Сравнение схемы меньшинства голосов с избыточностью и без избыточности представлено на рис. 19.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Схема, основанная на двухэтапном тристабильном буфере, является правильной и соответствует спецификации Virtex. В статье предлагается отказоустойчивая реализация КМОП функций по схеме меньшинства и большинства голосов в качестве отдельных элементов для повышения эффективности резервируемых схем без использования логических ресурсов ПЛИС. Моделирование КМОП схемы меньшинства голосов в системе моделирования National Instruments Electronics Workbench Group подтверждает эффективность предлагаемого элемента, и оценка вероятности безотказной работы показывает высокую эффективность предложенной схемы. Улучшенные элементы повышают радиационную стойкость аэрокосмических компьютерных систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kharchenko V. (editor): Green IT-Engineering. In 2 Volumes. Vol. 1. Principles, Components and Models — 593 p.; Vol. 2. Systems, Industry, Society. — 628 p. Ukraine: National Aerospace University KhAI(2014).
2. Logic Array Blocks and Adaptive Logic Modules in Stratix III Devices. Available at: https://www.altera.com.cn/content/dam/alterawww/global/zh_CN/pdfs/literature/hb/stx3/stx3_siii51002.pdf (accessed26.03.2017).
3. Drozd A. et al.: The Levels of Target Resources Development in Computer Systems. In: Design & Test Symposium (EWDTS), 2014 East-West, pp. 1–5, IEEE, (2014).
4. Mehta, Nikil. An Ultra-low-energy, Variation-tolerant FPGA Architecture Using Component-specific Mapping. Dissertation (Ph.D.), California Institute of Technology. (2013).http://resolver.caltech.edu/CaltechTHESIS:10072012-230900231.
5. Jennifer Susan Hane. A FAULT-TOLERANT COMPUTER ARCHITECTURE FOR SPACE VEHICLE APPLICATIONS. Available at:http://scholarworks.montana.edu/xmlui/bitstream/handle/1/1423/hanej0512.pdf?sequence=1 (accessed 20.03.2017).
6. Bradley Matush. An Innovative Radiation Hardened by Design Flip-Flop. A Thesis Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Master of Science. Available at:https://repository.asu.edu/attachments/56273/content/Matush_asu_0010N_10226.pdf (accessed 22.01.2017).
7. Shubham C. Anjankar, Dr. Mahesh T. Kolte. Fault Tolerant and Correction System Using Triple Modular Redundancy. International Journal of Emerging Engineering Research and Technology Volume 2,Issue 2, May 2014, pp. 187–191. Available at: http://www.ijeert.org/pdf/v2-i2/31.pdf (accessed 26.01.2017).
8. Carmichael Carl. Triple Module Redundancy Design Techniques for Virtex FPGAs Available at: https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp197.pdf (accessed 22.03.2017).
9. QPro Virtex-II 1.5V Platform FPGAs. DS122 (v3.0) Available at: http://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds122.pdf (accessed 26.03.2017).
10. Kamenskih A. N., Tyurin S. F. The Development of Basic Logic Element for Strictly Self-timed FPGA. International Conference on Information and Digital Technologies, IDT 2015, pp. 128–131DOI:10.1109/DT.2015.7222962.
11. Conway Lynn. Drafts of the Mead-Conway Textbook, Introduction to VLSI Systems. University of Michigan. Retrieved 9 June 2015.
ПЛИС широко используются в компьютерных технологиях [1–4]. Существуют отказоустойчивые ПЛИС для аэрокосмических компьютерных систем. Специальная архитектура RHBD включает в себя создание избыточных структур, например, с использованием тройной избыточности (TMR) [5–7]. Этот метод поддерживается для архитектуры Virtex для ПЛИС Xilinx [8, 9]. Обычно используется схема большинства голосов, основанная на логических элементах КМОП, «НЕ-И», «НЕ-ИЛИ» (для интегральных схем специального назначения — ASIC, больших интегральных схем — БМК), LUT (таблица поиска — для ПЛИС). Используются схемы большинства голосов на основе таблиц поиска (LUTs), тристабильного буфера (BUFT) и нагрузочного резистора, а также схемы большинства голосов на основе тристабильного буфера со схемами меньшинства голосов без нагрузочного резистора [8].
СХЕМА БОЛЬШИНСТВА ГОЛОСОВ
Тройная избыточность использует три копии одной и той же схемы и выполняет поразрядное «большинство голосов» на выходе тройной схемы [4]. Функция большинства голосов представлена в формуле:
V = AB ∨ BC ∨ AC.(1)
Таблица истинности (1) показана на рис. 1.
Формула (1) является самодвойственной функцией, поэтому:
Eqn001.eps.
Большинство голосов ПЛИС используют таблицы поиска (LUTs).
Eqn002.eps
КМОП представление большинства голосов показано на рис. 2.
Представление LUT большинства голосов показано на рис. 3.
Однако 4 входных представления LUT большинства голосов используют только одну остановку транзисторного дерева.
ТРИСТАБИЛЬНАЯ СХЕМА БОЛЬШИНСТВА ГОЛОСОВ
Схема большинства голосов VirtexTM (Xilinx), основанная на тристабильном буфере (используя Virtex примитивную библиотеку BUFT) вместо таблиц поиска (LUTs), показана на рис. 4.
Анализ работы устройства позволяет установить ситуации конфликта сигналов на выходе — рис. 5.
Моделирование тристабильного буфера схемы большинства голосов, выполненное в системе NI Multisim 10 by National Instruments Electronics Workbench Group, показывает неправильность такой схемы — рис. 6.
Тем не менее, документация указывает на использование Virtex Horizontal Bus Logic (горизонтальная логика шины) [5], которая решает эту проблему. Один возможный способ построения правильной схемы, полученной авторами, представлен на рис. 7а, б.
Осциллограмма рис. 7б подтверждает реализацию функции (1).
ТРИСТАБИЛЬНАЯ СХЕМА БОЛЬШИНСТВА ГОЛОСОВ СО СХЕМОЙ МЕНЬШИНСТВА ГОЛОСОВ
Избежание конфликта сигналов также возможно по тристабильной схеме большинства голосов со схемой меньшинства голосов [6] — рис. 8.
Что значит схема меньшинства голосов? Эта функция имеет форму, представленную в выражении (4):
Eqn003.eps.(4)
Таблица истинности (4) представлена на рис. 9.
Сделаем обозначение — рис. 10.
Функционирование схемы большинства голосов со схемой меньшинства голосов, представленной на рис. 10, описано на рис. 11.
M-выход соответствующего устройства для меньшинства голосов. Делаем вывод, что канал, который отличается от двух других, отключается путем формирования на выходе соответствующего буфера состояния z — рис. 11. На выходе V реализована конъюнкция O1, O2, O3.
КМОП РЕАЛИЗАЦИЯ СХЕМЫ МЕНЬШИНСТВА ГОЛОСОВ
Давайте представим КМОП реализацию функции схемы меньшинства голосов. Предложенная упрощенная КМОП реализация меньшинства голосов в формуле (4) и рис. 10. представлена на рис. 12.
Моделирование КМОП реализации (рис. 12) схемы меньшинства голосов показана на рис. 13, 14.
Моделирование подтверждает эффективность предлагаемой схемы меньшинства голосов.
СХЕМА ГОЛОСОВАНИЯ С ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ
Известная КМОП реализация с тристабильным буфером представлена на рис. 15.
В целях повышения надежности схемы большинства голосов с тристабильным буфером мы предложим схему голосования с избыточностью. Предлагаемый тристабильный буфер с избыточностью представлен на рис. 16.
Сравнение тристабильного буфера с избыточностью и без избыточности [10] представлено на рис. 17.
Выигрыш достигается в значительном диапазоне вероятностей, в отличие от тройной схемы, которая становится хуже без резервирования уже с вероятностью порядка 0,88. Предлагаемая схема меньшинства голосов с избыточностью с учетом ограничения Мида и Конвея [11] показана на рис. 18
Сравнение схемы меньшинства голосов с избыточностью и без избыточности представлено на рис. 19.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Схема, основанная на двухэтапном тристабильном буфере, является правильной и соответствует спецификации Virtex. В статье предлагается отказоустойчивая реализация КМОП функций по схеме меньшинства и большинства голосов в качестве отдельных элементов для повышения эффективности резервируемых схем без использования логических ресурсов ПЛИС. Моделирование КМОП схемы меньшинства голосов в системе моделирования National Instruments Electronics Workbench Group подтверждает эффективность предлагаемого элемента, и оценка вероятности безотказной работы показывает высокую эффективность предложенной схемы. Улучшенные элементы повышают радиационную стойкость аэрокосмических компьютерных систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kharchenko V. (editor): Green IT-Engineering. In 2 Volumes. Vol. 1. Principles, Components and Models — 593 p.; Vol. 2. Systems, Industry, Society. — 628 p. Ukraine: National Aerospace University KhAI(2014).
2. Logic Array Blocks and Adaptive Logic Modules in Stratix III Devices. Available at: https://www.altera.com.cn/content/dam/alterawww/global/zh_CN/pdfs/literature/hb/stx3/stx3_siii51002.pdf (accessed26.03.2017).
3. Drozd A. et al.: The Levels of Target Resources Development in Computer Systems. In: Design & Test Symposium (EWDTS), 2014 East-West, pp. 1–5, IEEE, (2014).
4. Mehta, Nikil. An Ultra-low-energy, Variation-tolerant FPGA Architecture Using Component-specific Mapping. Dissertation (Ph.D.), California Institute of Technology. (2013).http://resolver.caltech.edu/CaltechTHESIS:10072012-230900231.
5. Jennifer Susan Hane. A FAULT-TOLERANT COMPUTER ARCHITECTURE FOR SPACE VEHICLE APPLICATIONS. Available at:http://scholarworks.montana.edu/xmlui/bitstream/handle/1/1423/hanej0512.pdf?sequence=1 (accessed 20.03.2017).
6. Bradley Matush. An Innovative Radiation Hardened by Design Flip-Flop. A Thesis Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Master of Science. Available at:https://repository.asu.edu/attachments/56273/content/Matush_asu_0010N_10226.pdf (accessed 22.01.2017).
7. Shubham C. Anjankar, Dr. Mahesh T. Kolte. Fault Tolerant and Correction System Using Triple Modular Redundancy. International Journal of Emerging Engineering Research and Technology Volume 2,Issue 2, May 2014, pp. 187–191. Available at: http://www.ijeert.org/pdf/v2-i2/31.pdf (accessed 26.01.2017).
8. Carmichael Carl. Triple Module Redundancy Design Techniques for Virtex FPGAs Available at: https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp197.pdf (accessed 22.03.2017).
9. QPro Virtex-II 1.5V Platform FPGAs. DS122 (v3.0) Available at: http://www.xilinx.com/support/documentation/data_sheets/ds122.pdf (accessed 26.03.2017).
10. Kamenskih A. N., Tyurin S. F. The Development of Basic Logic Element for Strictly Self-timed FPGA. International Conference on Information and Digital Technologies, IDT 2015, pp. 128–131DOI:10.1109/DT.2015.7222962.
11. Conway Lynn. Drafts of the Mead-Conway Textbook, Introduction to VLSI Systems. University of Michigan. Retrieved 9 June 2015.
Отзывы читателей
