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二模冗余MIPS处理器的设计与实现

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引言

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)是基于SRAM的一种硬件电路可重配置电子逻辑器件，可通过将硬件描述语言编译生成的硬件配置比特流编程到FPGA中，而使其硬件逻辑发生改变。FPGA在电子设计中的灵活性和通用性使其在航天、通信、医疗和工控等重要领域得到了广泛的应用。然而，FPGA中的硬件逻辑电路容易受到 SEU(Single Event UPSet)和SETs(Single Event Transients)故障的影响，从而导致系统失效。FPGA电路失效降低了基于FPGA的嵌入式系统的稳定性和寿命，同时会严重限制它在生产和生活各个方面的应用范围。系统备份、系统故障恢复和系统多模冗余设计是防止系统失效的有效方法。FPGA动态局部可重构技术是一种可应用于系统故障恢复的新兴技术，它可以在FPGA系统运行的过程中，动态地改变FPGA内部的部分逻辑电路块的逻辑功能，同时又不会影响其他逻辑的正常运转;二模冗余技术是一种典型的系统冗余容错设计方法，它为系统的重要模块设置备份模块，保证系统出现故障时依然可以稳定可靠地运转。基于上述思想，本文设计了一种基于FPGA动态可重构技术的二模冗余MIPS处理器。

1 总体方案

Xilinx公司的 XC5VLX110T开发板是一个内含ML509芯片、具备内部逻辑块可动态配置能力的FPGA开发板。Verilog是一种结构化可综合的硬件描述语言，通过它可以很快地实现数字逻辑电路的结构级系统建模。本文以Xilinx公司的XC5VLX110T开发板作为系统开发平台，以Verilog语言开发了一种基于二模冗余结构的MIPS处理器系统。系统整体结构如图1所示。

系统的主要组成部分如表1所列。

IMEM 是一个采用Xilinx公司IP生成器生成的FPGA内建存储器，由于MIPS处理器运行过程中不会改变指令存储器的内容，所以它被设计为无时钟门控的单端口只读存储器，存放MIPS处理器系统要执行的指令。IMEM的数据位宽为32位，存储深度为1 024。DMEM同样也是使用IP生成器生成的存储器，它存放MIPS处理器执行过程中所需的数据，是具有时钟边沿控制和使能控制的可读写单端口存储器。 DMEM的数据位宽为32位，存储深度为1 024。MIPS模块是一个包含完整数据通路、ALU和控制逻辑的使用Verilog语言描述的单周期MIPS处理器，它的指令集大小为32，所有的指令均为整型操作指令。此处理器模块含有指令存储器和数据存储器外部接口，它是系统核心模块，所以被设计为FPGA中的可重构区域。ERR_VERIF模块是故障检测模块，它能对两MIPS系统的执行结果进行对比，并生成相应的故障控制信号;BIST模块也称为内建自测试模块，只有系统发生故障时，此模块才启动运行。它用来测试各子系统的正确性，并输出测试结果。

在图1中，以虚线框起来的部分为FPGA中的可重构区域。图中有两个可重构区域，上一个区域为主子系统区，下面一个区域为主子系统区的备份区。

2 工作原理

系统上电复位后，在两MIPS内部逻辑均正常的情况下，系统执行过程为：指令存储器根据系统复位后的指令执行地址将指令从IMEM中取出，送入两个MIPS 系统中;两个MIPS处理器分别在指令的指示下完成相应的工作，然后将执行结果输出到ERR_VERIF模块、DMEM和IMEM模块;ERR_VERIF模块分析系统是否正常运转，然后将分析结果信息输出到FPGA上的LED灯A上。

当其中一个 MIPS处理器的内部逻辑发生故障时，可假定为图1中上方的主MIPS区域故障。系统执行过程为：ERR_VERIF故障检测模块检测到系统的子区域出现故障，然后发出故障位置检测控制信号;此时，BIST模块接收到检测控制信息后，启动内建自测试系统，将故障测试向量输入MIPS系统。在开启了BIST 模块后，系统的指令输入将不再来自IMEM模块，而是由BIST模块提供。同时，指令的执行结果也不会写回到DMEM模块中，而是反馈到BIST模块中。 MIPS根据测试向量进行运算，然后将运算结果反馈给BIST单元。BIST单元的测试要进行多次，以确保对故障的准确判断。BIST得到执行结果后，对测试结果进行分析并判定当前MIPS系统是否正常运行，最后分别将分析结果输出到FPGA上的LED灯B、C上。

ERR_VERIF 模块的故障分析方法为比较法。它将执行同样指令且同步运行的两个子系统的执行结果进行比较，当发现结果不一致时，就表示其中一个子系统出现了故障，这时需要使用BIST模块去主动定位故障位置。而BIST进行故障分析的方法与ERR_VERIF模块使用的方法本质上是相同的，但是实现方式不同。BIST模块将被测试模块产生的输出与BIST内部存储好的预期的输出进行比较，来测试被测模块是否出现故障。

检测出的故障情况有3 种：主子系统故障、备份子系统工作正常;主子系统正常、备份子系统故障;主系统子系统和备份子系统均出错。BIST模块检测出故障情况后，会将故障情况显示于故障灯(也就是A、B、C)上。当3个故障灯中有灯亮时，则表示系统出现故障。灯A、B亮，表示主子系统出现故障;灯A、C亮，表示备份子系统出现故障;灯A、B、C亮，表示两子系统均出现了故障。在出现故障后，系统会根据具体情况，对系统输出进行调整。当主子系统出现故障而备份子系统未出现故障时，系统输出则来自备份子系统;当备份子系统出现故障而主子系统未出现故障，系统输出则来自主子系统。当两子系统都出现了问题时，则需要停机维护。当其中一个子系统出现故障时，需要将无故障的子系统比特流重新下载入FPGA系统中。在下载时，系统的工作无需停止。

3 内建自测试技术与BIST结构分析

内建自测试技术(Build瞚n Self Test，BIST)是指在设计电路时，为了及时监测系统的状态，而设计一部分自测试电路来测试电路运行是否正常。BIST系统主要组成部分有测试向量生成、测试输入隔离、输出结果反馈分析和测试控制等，如图2(a)所示。

测试向量生成部分用于产生要输入到被测模块的测试向量，测试向量的生成含有两部分：测试输入的生成和测试结果的生成。测试输入用于作为被测电路的数据输入，而测试结果则用于对反馈结果的分析。测试输入隔离部分用于将BIST模块的测试向量输入和正常输入相分离。输出结果反馈分析部分用于分析被测电路中输出结果的正确性，并向外输出电路故障信息。

只用一组测试向量对电路故障进行测试将不具有可信度，所以在BIST技术中，通常需要使用多组测试向量对被测电路进行测试，因此在测试时需要一定的时序控制机制，测试控制部分用于完成测试的时序逻辑的控制。

图 2(b)为系统中的BIST模块的详细结构图。其中“自测试向量Memory”和“自测试结果Memory”的功能相当于图2(a)中测试向量生成器的功能，“自测试向量Memory”用于存放测试输入向量，“自测试结果Memory”用于存放测试对比结果。而“时序控制FSM”用于对测试时序的控制，包括测试向量地址生成、测试结果地址生成和测试输入隔离控制等。“结果比对器”用于将MIPS实时输出结果与“自测试结果Memory”单元的输出结果进行比较。“结果分析输出”单元是一个状态机，将根据“结果比对器”的输入来进行状态转换。图3为具体的时序控制状态机。