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基于演化硬件技术的内进化容错模型设计与可靠性研究分析

电子设计 2018-12-04 09:15 次阅读
引言 进化硬件(Evolution Hardware,EHW)指的是仿照自然界中以碳为基的生物进化过程,在现有的FPGA芯片基础上实现可控的“硅基进化”.进化硬件实际上是一种特殊硬件,它可以像生物一样具有自适应、自组织、自修复特性,从而可以根据使用环境的变化而改变自身的结构以适应其生存环境。进化硬件除了能够生成具有新功能的电路以外,还可用于减少故障的发生,获得容错的功能,从而提高电路可靠性。 1 内进化容错模型 通过在FPGA内部构建运算进化算法的MicroblazeCPU,把决定电路结构和功能的二进制配置位串作为染色体,通过对实际硬件的配置和测试来加速适应度评估过程。将其进化结果直接用于可重配置电路,以便获得具备预期功能的实际硬件。内进化设计的方式更充分地利用了可编程器件的芯片资源和可重构特性。由于将进化硬件特有的快速进化和硬件可重配置结构与FPGA内部算法运行和下载的内进化模式相结合,即可获得具有实时、自适应、容错能力的理想硬件特性。如图1所示。 基于演化硬件技术的内进化容错模型设计与可靠性研究分析 从图1可以发现在FPGA 内部主要分为两个区域: Microblaze CPU和可重配置阵列。图中的MicroblazeCPU 是基于XILINX 公司FPGA 的微处理器IP 核,和其他外设IP 核一起,可以完成可编程系统芯片(SoPC)的设计。Microblaze是一个高度灵活可以配置的软核,可以根据设计的需要,对Microblaze 进行裁减,用最少的资源完成设计的需要。可重配置阵列由可编程单元组成,其规模根据电路的复杂程度和功能需求设定。其中最基本单元是可编程单元(Programmable Element,PE),由配置寄存器、多路选择器和基本逻辑运算单元组成。 在系统工作时,Microblaze CPU通过数据控制通道配置可重配置阵列,配置完成后可重配置阵列单独工作。 如果嵌入该模型的FPGA 工作环境或功能要求发生了变化,只需重新启动上述进化过程,针对新的设计目标和内、外部条件重新进行搜索,便可获得新的配置位串和预期电路功能,即实现硬件自适应。同样,如果硬件电路本身出现了局部故障但存在预留的资源冗余,重新执行上述进化过程后也有望避开故障区域,重新获得预期的电路功能。 2 具体实现 2.1 算法流程 由于遗传算法模拟了自然选择和自然遗传过程中发生的繁殖、杂交和突变现象。因此将遗传算法作为演化算法。在求解问题时,问题的每个可能的解都被编码成一个“染色体”,即个体,若干个个体构成了群体。在遗传算法开始时,随机地产生初始个体群,根据预定的目标函数对每个个体进行评价,给出了一个适应度值。 基于此适应度值,选择个体用来复制下一代。选择操作体现了“适者生存”原理,“好”的个体被选择用来复制,而“坏”的个体则被淘汰。然后选择出来的个体经过交叉和变异算子进行再组合生成新的一代。这一群新个体由于继承了上一代的一些优良性状,因而在性能上要优于上一代,这样逐步朝着更优解的方向进化。演化算法的基本流程如图2所示。 基于演化硬件技术的内进化容错模型设计与可靠性研究分析 2.2 遗传算子设计 (1)转盘赌选择,即个体的选择概率pi 等于其适应度值在所有个体的适应度值之和中占的比例。首先先计算个体的相对适应值记为pi,然后根据选择概率{pi ,i=1,2,…,N}把一个圆盘分成N 份,其中第i 扇形的中心角为2πpi.在进行选择时,先生成一个[0,1]内的随机数r,若p0+p1+…+pi-1 (2)交叉运算,是指对两个相互配对的染色体按某种方式相互交换其部分基因,从而形成两个新的个体。 交叉运算是遗传算法区别于其他进化算法的重要特征,它在遗传算法中起着关键作用,是产生新个体的主要方法。本设计采取单点式交叉方法,即随机的在两个父串上选择一个杂交点,然后交换这两个串的对应的子串。 (3)变异运算,是指将个体染色体编码串中的某些基因座上的基因值用该基因座的其他等位基因来替换,从而形成一个新的个体。 2.3 适应度评估 内部演化将遗传算法每一代产生的每一条染色体都实际下载到器件中,并对每一种电路结构的输出直接进行评判。内部演化评估速度快,并可利用器件的实际特性实现系统动态重构。适应度的计算方式为给一个输入矩阵,读取输出矩阵,如果和希望的标准矩阵一致则“适应度”加1.其数学表达式为: 基于演化硬件技术的内进化容错模型设计与可靠性研究分析 式中:X为该个体对应的输出矩阵;M为标准输出矩阵。 3 故障容错实验与冗余可靠性分析 3.1 实验条件 采用Schwefel 的(1+λ)-ES 演化策略[7].程序参数为:最大适应度值12,种群规模10,变异率0.02,交叉率0.3,最大演化代数100 000.根据第一列PE 单元的损伤数目设计7种不同的故障模式,每种故障采用100个不同的随机数种子。应用数理统计的方法,每种故障模式采用100个样本。在规模为8×4个PE单元的可重配置阵列中,进行了第一列PE单元逻辑门损坏和容错实验。模拟文献[6]中提到数字电路中常见的SA故障,SA故障指的是无论对于何种输入,节点的输出固定为某一逻辑值。 3.2 实验结论 记PEi为第一列PE损伤数为i(i<7)的故障模式,试验结果如表1所示。 基于演化硬件技术的内进化容错模型设计与可靠性研究分析 针对SA-0错误,通过Microblaze CPU对可重配置阵列进行演化在十万代内均能找到正确的解(PEi(i<6)),成功证明了该算法良好的容错特性,在电路设计方面有效改善了传统电路设计中一次设计终身定型的弊端,使电路在遇到故障时可以避开故障单元,实现功能自修复。 3.3 冗余可靠性分析 图3 所示为演化电机的3 输入2 输出换向电路,分别计算两种不同电路的可靠性。 基于演化硬件技术的内进化容错模型设计与可靠性研究分析 由于设计只使用了基本的逻辑单元如与门、或门、与非门和或非门,得到演化方法设计电路可靠性概率pe为: 基于演化硬件技术的内进化容错模型设计与可靠性研究分析 pe 和pn 概率如图4所示,虚线表示传统电路设计方法生成的电路的故障率,实线表示冗余电路利用演化算法生成电路的故障率。可以看出,当p∈(0,0.5)时pe>pn,即动态可重构冗余电路具有更高的可靠性。 基于演化硬件技术的内进化容错模型设计与可靠性研究分析 4 结语 本文通过在FPGA内部集成Microblaze CPU和可重配置阵列的方式,实现了基于内进化方式容错模型。针对SA 故障进行了容错实验,证明该模型具有良好的故障容错能力,为获得具有实时、自适应、容错能力的理想硬件特性提供了新的技术途径。建立了电路可靠性的概率分析模型,并且针对本试验中的具体电路分析了冗余方法结合演化算法设计电路和传统方法设计电路的出错概率,证明了前者具有更高的可靠性。
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AM4377 AM437x ARM Cortex-A9 微处理器 (MPU)

TI AM437x 高性能处理器基于 ARM Cortex-A9 内核。 这些处理器通过 3D 图形加速得到增强,可实现丰富的图形用户界面,还配备了协处理器,用于进行确定性实时处理(包括 EtherCAT、PROFIBUS、EnDat 等工业通信协议)。该器件支持高级操作系统 (HLOS)。 基于 Linux 的®可从 TI 免费获取。其它 HLOS 可从 TI 的设计网络和生态系统合作伙伴处获取。 这些器件支持对采用较低性能 ARM 内核的系统升级,并提供更新外设,包括 QSPI-NOR 和 LPDDR2 等存储器选项。 这些处理器包含功能方框图中显示的子系统,并且后跟相应的 “说明”中添加了更多信息 说明。 处理器子系统基于 ARM Cortex-A9 内核, PowerVR SGX™图形加速器子系统提供 3D 图形加速功能以支持显示和高级用户界面。 可编程实时单元子系统和工业通信子系统 (PRU-ICSS) 与 ARM 内核分离,允许单独操作和计时,以实现更高的效率和灵活性。PRU-ICSS 支持更多外设接口和 EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、PROFIBUS、E...
发表于 09-29 10:35 0次 阅读
AM4377 AM437x ARM Cortex-A9 微处理器 (MPU)

AM4382 AM438x ARM Cortex-A9 微处理器 (MPU)

与其它产品相比 AM438x   Arm MHz (Max.) Serial I/O Security Enabler Co-Processor(s) Graphics Acceleration EMAC USB 2.0 Industrial Protocols Camera Operating Temperature Range (C) DRAM   var link = "zh_CN_folder_p_quick_link_description_features_parametrics"; com.TI.Product.handleQuickLinks('parametric','参数变化','#parametrics',link); AM4382 AM4384 AM4388 300 600 1000     600 1000     600 1000   &...
发表于 09-25 16:06 24次 阅读
AM4382 AM438x ARM Cortex-A9 微处理器 (MPU)

AM4384 AM438x ARM Cortex-A9 微处理器 (MPU)

与其它产品相比 AM438x   Arm MHz (Max.) Serial I/O Security Enabler Co-Processor(s) Graphics Acceleration EMAC USB 2.0 Industrial Protocols Camera Operating Temperature Range (C) DRAM   var link = "zh_CN_folder_p_quick_link_description_features_parametrics"; com.TI.Product.handleQuickLinks('parametric','参数变化','#parametrics',link); AM4384 AM4382 AM4388 600 1000     300 600 1000     600 1000   &...
发表于 09-25 16:02 18次 阅读
AM4384 AM438x ARM Cortex-A9 微处理器 (MPU)

AM3352 Sitara ARM Cortex-A8 微处理器

AM335x 微处理器基于 ARM Cortex-A8 处理器,在图像、图形处理、外设以及 EtherCAT 和 PROFIBUS 等工业接口选项方面得到了增强。 该器件支持高级操作系统 (HLOS)。 Linux®和 Android™可从德州仪器 (TI) 免费获取。 AM335x 微处理器 包含 功能框图 中显示的子系统和以下 简要 说明: 微处理器单元 (MPU) 子系统基于 ARM Cortex-A8 处理器, PowerVR SGX™图形加速器子系统提供 3D 图形加速功能以支持显示和游戏特效。 可编程实时单元子系统和工业通信子系统 (PRU-ICSS) 与 ARM 内核彼此独立,允许单独操作和计时,以实现更高的效率和灵活性。PRU-ICSS 支持更多外设接口和 EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、PROFIBUS、Ethernet Powerlink、Sercos 等实时协议。此外,凭借 PRU-ICSS 的可编程特性及其对引脚、事件和所有片上系统 (SoC) 资源的访问权限,该子系统可以灵活地实现快速实时响应、专用数据处理操作以及自定义外设接口,并减轻 SoC 其他处理器内核的任务负载。 特性 ...
发表于 09-25 15:44 65次 阅读
AM3352 Sitara ARM Cortex-A8 微处理器

TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150°C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...
发表于 09-19 16:35 15次 阅读
TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器

TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小保护频带提升性能,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...
发表于 09-18 16:05 19次 阅读
TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器

TMP451-Q1 远程和本地温度传感器

TMP451-Q1器件是一款高精度,低功耗远程温度传感器监视器,内置有一个本地温度传感器。远程温度传感器通常是低成本离散式NPN或PNP晶体管,或者基板热晶体管或二极管,这些器件是微处理器,微控制器或FPGA的组成部件。对于本地和远程传感器,此温度表示方式为12位数字编码,分辨率为0.0625°C。对于本地和远程温度传感器,在典型运行范围内,温度精度为±1°C(最大值)。此两线制串口接受SMBus通信协议。 诸如串联电阻抵消,可编程非线性因子(η因子),可编程偏移,可编程温度限制和一个可编程数字滤波器等的高级特性被组合在一起以提供一个具有更佳准确度和抗扰度的稳健耐用热量监控解决方案。 TMP451-Q1器件是在各种汽车子系统中进行多位置高精度温度测量的理想选择。此器件的额定运行源电压范围为1.7V至3.6V,额定工作温度范围为-40°C至125℃。 特性 符合汽车应用要求 具有符合AEC-Q100的下列结果: 器件温度1级别:-40°C至125°C的环境运行温度范围 器件人体模型(HB...
发表于 09-17 15:49 30次 阅读
TMP451-Q1 远程和本地温度传感器