基于FPGA的TMR方法改进策略

块之间短路的可能性增加。为了降低会影响TMR稳健性的产生改变布线的错误的可能性，必须最大可能地减少各个模块之间的连接。如果多数表决器的数量可以被降下来，那么模块之间的连接可以减少。

解决这个问题的方法是采用较大粒度的TMR以降低它们之间的连接，且表决器只应用在电路输出部分。但同时又出现了一个新的问题，例如为对存储单元的状态进行修复，Xilinx提出了将表决器应用在有寄存器的地方并加入反馈以纠正翻转对寄存器中值的影响的XTMR方法，如果内部的表决器被去掉，那么出错部分存储单元的错误将得不到纠正，所以重构后它与其他模块工作的状态不同步。

文献中解决这个问题的方法是通过从外部存储器中读取存储的工作状态。但是这个方法需要三个模块离线后才能进行状态的存储和重置进而达到同步。显然可行性不高，尤其是对实时性要求高的电路。

针对此问题，文献提出了一种同步技术，该技术TMR系统中采用状态寄存器复制机制，并在三个冗余模块之间引入数据通路来传输状态寄存器的数据。当某一个冗余模块发生故障被局部重构后，能够通过接受主控制器的令牌，从正常模块复制状态寄存器的数据来完成同步而及时地恢复工作。该方法缩短了故障模块从修复到重新加入系统工作的时间，从而减小发生故障积累的概率，提高冗余系统的可靠性。

另一种方法是预测其他模块最快会达到的状态，然后对重构后的模块进行状态的预置。这时只需使要重构的模块停止工作而不影响其他两个模块的工作，当工作模块的状态和预置的状态同步时，三个模块又一起工作。此时状态选择是一个问题，这个状态到达的频率必须很高，而且会在较快时间内到达，另外多个状态可以提高效率但同时会使预置信号宽度增加。

如果寄存器中状态不可预测，例如寄存器链和加法器，那么不能使用这个方法，所以这种方法需要改进以提高其适应性。在TMR各模块布线时，尽量将它们相隔有一定的距离，这样也可以降低一个模块出现错误后对其他模块造成影响的可能性。2.3 基于对FPGA基本单元结构改进的TMR技术

因为TMR资源消耗较大，一般方法中由于布线以及表决器的实现，当粒度越小耗费的资源更多。文献提出了一种比较新颖的小粒度的方法，它对基于SRAM的FPGA的结构进行了一些改变(LUT及CLB结构)，以小粒度来实现TMR但资源消耗却得到降低。

文中选用Xilinx Virtex-5系列芯片。其基本结构是由两个5输入的LUT实现的一个6输入的LUT。如图3所示。如果低五位输入数据相同那么可以实现两个5输入的LUT。在有些情况下，只需要5输入的LUT，此时另一个LUT没有被使用。如果在布局时使其总满足这种情况，那么可以用留下的资源来实现TMR。

一个TMR需要两个LUT，而两个TMR只需要三个LUT，需要在LUT内部实现表决器、报错电路以及其他的一些控制线，这增加了LUT内部的布线和延迟。

这种方法的优点是粒度减小，可靠性增加，资源消耗少，可通过检错和定位进行有条件的重构，减少了功耗和配置时间。实验结过表明，相比于传统的小粒度的TMR，这种方法额外资源消耗只为76.5%，而传统的则达到242%。

2.4 基于空间搜索方法的TMR技术

由于部分以及小粒度TMR的出现，在FPGA和设计约束的情况下，对粒度以及电路模块的选择是一个关键的问题，而往往只知道资源、功耗及可靠性等要求，实际的布局与实现是一个棘手的问题。文献都提出了基于空间搜索的方法。这种方法是提供资源、功耗与可靠性等参数，在各种可能的解决方法中进行搜索而得到最优的结果。

2.5 基于时间的TMR技术

基于时间的基本思想是通过多次计算进行故障屏蔽，是对相同的计算重复进行两次或者多次并比较结果以检测和克服错误。当对某一部分的电路得到一个结果后，暂时将其存储起来，延迟一定时间后再进行一次计算并输出存储，若比较结果不一致则出现了错误，此时再延迟相同的时间，将其输出作为正确的结果输出。

这种方法对于检测瞬时故障很有效，但其容错效果与延迟时间有关系。此方法实际上使用时间的延长换取了资源的节省，对于实时性较高的系统使用性较差。

2.6 基于软、硬件冗余的TMR技术

对于在硬件上出现的不可修复的损坏，上面的方法将都会失效。此时对每个模块中采用三个不同的版本的文件(一个使用，两个备份)且每个模块还有1/4的硬件冗余资源。如果出现了硬件故障，则首先用其他版本对其进行重新配置，如果这样问题还得不到解决，那么通过使用额外的冗余资源重新布局以绕过出错的部分。但是由于对冗余资源及存储单元的要求，这种方法进一步增加了资源的消耗。

3 TMR技术发展展望

基于以上的分析，用图4所