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摘要 基于嵌入式系統理論和容錯系統體系結構,結合故障—安全電路的設計理念,提出了一種單芯片多軟核系統的設計方法，并給出基于FPGA的二乘二取二安全系統的設計方案，詳細介紹通過(guò)Actel Fusion StartKit數�；旌螰PGA實(shí)現的方法。 引言 二乘二取二系統的兩套計算機系統各有兩個(gè)CPU，并且所有結構和配件完全相同。兩套系統之間采取雙機熱備份，大幅提高了系統可靠性，在一些領(lǐng)域得到了廣泛應用�；诙硕《蒎e結構的計算機聯(lián)鎖系統在國外已有成熟的應用，如K5B和EI32，其良好的可靠性和安全性引起國內業(yè)界的廣泛關(guān)注。 系統可靠性冗余設計是提高系統可靠性的重要方法,但由于冗余會(huì )增加系統成本、體積和重量,因此必須合理地選擇冗余結構和數量。對價(jià)格昂貴、重量大、體積大的冗余部分，更應作合理考慮。由于二乘二取二硬件冗余技術(shù)是通過(guò)多個(gè)相同部件完成同一功能,在提高系統可靠性的同時(shí)也存在一些不足： ·增加了系統的成本、結構、重量和所需空間； ·在某些情況下硬件技術(shù)的應用受到限制； ·對大型復雜系統均采用硬件冗余技術(shù)是不可能的。 以上不足將限制二乘二取二冗余技術(shù)的應用, Fusion和coreABC的組合為以上問(wèn)題提供了良好的解決方案。 1 二乘二取二系統 二乘二取二系統有4個(gè)CPU，兩個(gè)CPU組成一組。每?jì)蓚�(gè)CPU的輸出經(jīng)比較器表決輸出，兩個(gè)CPU和一個(gè)比較器表決系統組成一個(gè)子系統。兩個(gè)子系統具有完全相同的硬件結構，一個(gè)為主單元，一個(gè)作為備用單元。開(kāi)機后兩個(gè)子系統獨立同步工作，系統取工作單元的輸出為系統輸出。當兩個(gè)子系統均正常工作時(shí)，系統取主單元的輸出為系統輸出，若備用單元發(fā)生故障，系統輸出仍為主單元的輸出，備用單元進(jìn)入維修狀態(tài)。當主單元發(fā)生故障時(shí)，系統切換至備用單元，此時(shí)系統輸出為備用單元的輸出，主單元進(jìn)入維修狀態(tài)；一旦主單元維修完畢，可以正常工作時(shí)，則系統切換至主單元，取主單元的輸出為系統輸出。若主單元和備用單元均無(wú)法正常工作，則系統故障，系統無(wú)法繼續正常工作。除子系統故障時(shí)系統自動(dòng)切換外，系統還具有手動(dòng)切換的功能。由于兩個(gè)子系統具有完全相同的結構和進(jìn)行完全相同的工作，所以手動(dòng)切換不影響系統的正常工作。導致系統故障的因素有很多，根據不同的應用場(chǎng)合，需要針對不同的故障進(jìn)行檢測和維修。二乘二取二系統的工作示意圖如圖1所示。 
圖1 二乘二取二系統工作示意圖 2 系統的具體實(shí)現 在設計時(shí)，首先要考慮FPGA門(mén)電路的數量，以及嵌入4個(gè)軟核所要占用的門(mén)陣列資源。其次，要考慮其他硬件資源，比如時(shí)鐘、存儲器等。綜合各方面的考慮，本設計選擇Actel的Fusion StartKit數�；旌螰PGA實(shí)現二乘二取二系統。Fusion StartKit數�；旌螰PGA擁有600萬(wàn)門(mén)門(mén)陣列，片內集成了Flash存儲器、RAM、FIFO和模擬模塊；片外提供48 MHz的晶振；支持coreABC軟核的嵌入。 2.1 軟核的嵌入
圖2 coreABC配置方案 coreABC是一種具有高可配置性的軟核，占用資源少，特別適于低端應用。它能夠掛載可編程高級外圍總線(xiàn)（APB），支持APB總線(xiàn)下的外圍設備，通過(guò)coreAI直接控制ACM塊，還可配置8位、16位和32位APB接口�？梢酝ㄟ^(guò)APB總線(xiàn)控制coreAI核，進(jìn)行電壓、電流采集，以及模數轉換。圖2給出一種配置方案。coreABC可使用軟/硬代碼存儲方式，本設計采用硬代碼存儲方式。硬代碼存儲方式只需占用門(mén)陣列資源，而軟代碼存儲方式要占用Flash存儲口資源。由于FPGA片內集成了2個(gè)Flash存儲口，嵌入4個(gè)核時(shí)Flash存儲口資源不足。Actel coreABC的推出對實(shí)現可配置的小系統極具意義，它使用很少的系統資源就可搭建起完整的控制單元。 2.2 比較電路的實(shí)現 二取二CPU的比較電路采用冗余設計，它主要負責對coreABC軟核的總線(xiàn)信號進(jìn)行比較判決，保證系統正常運行，其電路圖如圖3所示。比較電路的工作原理為：片外寄存器分別從兩個(gè)CPU獲得總線(xiàn)數據信息，經(jīng)異或模塊按此在新窗口瀏覽圖片進(jìn)行判斷，分別控制數據鎖存器輸出，并配合時(shí)鐘信號控制鎖存器同步輸出；從鎖存器輸出的數據經(jīng)或電路處理后形成比較結果，即DATA_OUT=D1+D2。若比較結果確認CPU此次運算一致，則系統正常輸出；若比較電路確認CPU運算有誤，則重新進(jìn)行運算。
圖3 比較電路原理圖 此外，在對CPU輸出數據進(jìn)行比較的同時(shí)，比較電路還對CPU是否正常工作進(jìn)行故障診斷。診斷正常則反饋CPU正常工作信息，使CPU進(jìn)行下一周期的工作；診斷為故障則反饋CPU錯誤信息，此時(shí)系統切換，取另一組子系統的輸出為系統輸出，故障子系統進(jìn)入維修狀態(tài)。這樣確保了系統的可靠性、安全性。 2.3 系統切換 系統切換是二乘二取二系統首要的功能要求，當工作單元出現故障，或者手動(dòng)切換時(shí)，要求進(jìn)行系統切換。本設計進(jìn)行了兩組故障檢測。 首先，為每個(gè)子系統的兩個(gè)coreABC分別設置兩個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，要求兩個(gè)coreABC向各自的看門(mén)狗發(fā)送周期自檢信號。若看門(mén)狗在溢出前收到該信號則CPU正常工作，否則溢出，該CPU判為故障。子系統的兩個(gè)CPU中，只要有一個(gè)出現故障，在備機正常的情況下，系統就進(jìn)行切換。 其次，將CPU輸出結果和子系統輸出結果進(jìn)行比較，若相同則系統正常，否則系統故障。若備用單元正常，則系統切換，取備用單元輸出為系統輸出。 將主單元和備用單元的看門(mén)狗溢出信號分別記為WD_PLUSE_1、WD_PLUSE_2，比較器判決信號記為COM_RESULT_1、 COM_RESULT_2，手動(dòng)切換信號記為SWITCH_1、SWITCH_2。只要系統故障或手動(dòng)切換時(shí)，系統進(jìn)行切換，由此可得切換信號為： AUTO_RST_1=WD_PLUSE_1‖COM_RESULT_1‖SWITCH_1 AUTO_RST_2=WD_PLUSE_2‖COM_RESULT_2‖SWITCH_2 系統切換通過(guò)以下語(yǔ)句實(shí)現： SYS_OUT=(AUTO_RST_1&&AUTO_RST_2)?1'bz  (AUTO_RST_1)?COM_OUT_2:COM_OUT_1);若主機正常工作，則輸出取主機的比較輸出；若主機故障，在備用單元正常時(shí)，則系統切換取備用單元的輸出；若主機修復，則切換到主機工作；若兩個(gè)子系統均故障，則系統故障。實(shí)現的流程如圖4所示。
圖4 系統切換流程 對二乘二取二系統結構分析可知，二乘二取二結構同其他冗余方法雙模和三模結構相比，系統的安全性可以在較長(cháng)時(shí)間內保持在一個(gè)很高的水平。同時(shí)二乘二取二結構的系統可靠性和平均壽命等指標均較高，所以是一種綜合性能比較好的冗余結構。 結語(yǔ) 本文選擇了合適的開(kāi)發(fā)板資源，提出一種在FPGA中嵌入4個(gè)coreABC軟核，實(shí)現二乘二取二系統的方法。恰當地利用單芯片有限的資源，嵌入 4個(gè)coreABC軟核，遵循二乘二取二系統的工作原理，合理實(shí)現二取二總線(xiàn)比較判決、故障檢測和二乘系統切換，經(jīng)綜合后燒入，檢驗系統功能完全正常。 本設計的優(yōu)勢在于單芯片的功耗更小、電路設計更加便捷、系統可靠性和安全性更高、體積小、易維護和易升級換代，符合現階段我國聯(lián)鎖系統向模塊化、智能化、功能多樣化方向發(fā)展的要求，大大擴展了嵌入式系統應用的廣度和深度。嵌入式系統在應用領(lǐng)域發(fā)展迅速，隨著(zhù)FPGA技術(shù)的進(jìn)步，單芯片內的邏輯門(mén)電路數量更多，軟核的編寫(xiě)更加成熟。單芯片多軟核的二乘二取二系統具有更強的生命力，它的高可靠性和低成本勢必帶來(lái)廣闊的應用空間。 作者： 北京交通大學(xué) 敖俊秋 戴勝華 李翔 |
