FPGA單芯片四核二乘二取二的安全系統

引 言
??? 二乘二取二系統的兩套計算機系統各有兩個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，在一些領域得到了廣泛應用。基于二乘二取二容錯結構的計算機聯鎖系統在國外已有成熟的應用，如K5B和E132，其良好的可靠性和安全性引起國內業界的廣泛關注。
??? 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是通過多個相同部件完成同一功能，在提高系統可靠性的同時也存在一些不足：
??? ◆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的應用受到限制；
??? ◆對大型復雜系統均采用硬件冗余技術是不可能的。
??? 以上不足將限制二乘二取二冗余技術的應用，Fusion和coreABC的組合為以上問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CPU，兩個CPU組成一組。每兩個CPU的輸出經比較器表決輸出，兩個CPU和一個比較器表決系統組成一個子系統。兩個子系統具有完全相同的硬件結構，一個為主單元，一個作為備用單元。開機后兩個子系統獨立同步工作，系統取工作單元的輸出為系統輸出。當兩個子系統均正常工作時，系統取主單元的輸出為系統輸出，若備用單元發生故障，系統輸出仍為主單元的輸出，備用單元進入維修狀態。當主單元發生故障時，系統切換至備用單元，此時系統輸出為備用單元的輸出，主單元進入維修狀態；一旦主單元維修完畢，可以正常工作時，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法正常工作，則系統故障，系統無法繼續正常工作。除子系統故障時系統自動切換外，系統還具有手動切換的功能。由于兩個子系統具有完全相同的結構和進行完全相同的工作，所以手動切換不影響系統的正常工作。導致系統故障的因素有很多，根據不同的應用場合，需要針對不同的故障進行檢測和維修。二乘二取二系統的工作示意圖如圖1所示。

2 系統的具體實現
??? 在設計時，首先要考慮FPGA門電路的數量，以及嵌入4個軟核所要占用的門陣列資源。其次，要考慮其他硬件資源，比如時鐘、存儲器等。綜合各方面的考慮，本設計選擇Actel的Fusion StartKit數模混合FPGA實現二乘二取二系統。Fusion StartKit數模混合FPGA擁有600萬門門陣列，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
??? 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(APB)，支持APB總線下的外圍設備，通過coreAI直接控制ACM塊，還可配置8位、16位和32位APB接口。可以通過APB總線控制coreAI核，進行電壓、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Flash存儲口，嵌入4個核時Flash存儲口資源不足。Actel coreABC的推出對實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軟核的總線信號進行比較判決，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CPU獲得總線數據信息，經異或模塊OE1=A1+A2，OE2=B1+82進行判斷，分別控制數據鎖存器輸出，并配合時鐘信號控制鎖存器同步輸出；從鎖存器輸出的數據經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，則重新進行運算。

??? 此外，在對CPU輸出數據進行比較的同時，比較電路還對CPU是否正常工作進行故障診斷。診斷正常則反饋CPU正常工作信息，使CPU進行下一周期的工作；診斷為故障則反饋CPU錯誤信息，此時系統切換，取另一組子系統的輸出為系統輸出，故障子系統進入維修狀態。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，或者手動切換時，要求進行系統切換。本設計進行了兩組故障檢測。
??? 首先，為每個子系統的兩個coreABC分別設置兩個看門狗定時器，要求兩個coreABC向各自的看門狗發送周期自檢信號。若看門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CPU中，只要有一個出現故障，在備機正常的情況下，系統就進行切換。其次，將CPU輸出結果和子系統輸出結果進行比較，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，手動切換信號記為SWITCH_1、SWITCH_2。只要系統故障或手動切換時，系統進行切換，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
??? 系統切換通過以下語句實現：
??? 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，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；若兩個子系統均故障，則系統故障。實現的流程如圖4所示。

??? 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時間內保持在一個很高的水平。同時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
??? 本文選擇了合適的開發板資源，提出一種在FPGA中嵌入4個coreABC軟核，實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coreABC軟核，遵循二乘二取二系統的工作原理，合理實現二取二總線比較判決、故障檢測和二乘系統切換，經綜合后燒入，檢驗系統功能完全正常。
??? 本設計的優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，符合現階段我國聯鎖系統向模塊化、智能化、功能多樣化方向發展的要求，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域發展迅速，隨著FPGA技術的進步，單芯片內的邏輯門電路數量更多，軟核的編寫更加成熟。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廣闊的應用空間。