本文選題：數(shù)字電路　切入點(diǎn)：仿生電子硬件　出處：《南京航空航天大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：仿生電子硬件領(lǐng)域的胚胎硬件具有邏輯單元層次的分布式自主控制重構(gòu)能力,為數(shù)字電路芯片級(jí)在線故障自測(cè)試與自修復(fù)提供了硬件基礎(chǔ),基于胚胎硬件技術(shù)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)可在完全自主控制下大幅提高可靠性,胚胎硬件技術(shù)在航空、航天、深海等惡劣環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用意義突出。基于胚胎硬件設(shè)計(jì)具有工程實(shí)用價(jià)值的芯片級(jí)自修復(fù)數(shù)字電子系統(tǒng),需在硬件結(jié)構(gòu)體系、應(yīng)用系統(tǒng)可靠性提高方法和系統(tǒng)評(píng)估與驗(yàn)證方法等方面實(shí)現(xiàn)突破,但目前僅硬件結(jié)構(gòu)體系研究有一定成果,而且還存在硬件資源利用率低下和自修復(fù)覆蓋不全面的問題。本文針對(duì)胚胎硬件設(shè)計(jì)芯片級(jí)自修復(fù)數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題,圍繞完善系統(tǒng)硬件體系、簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)和探索應(yīng)用設(shè)計(jì)過程可靠性提高方法三個(gè)方面開展研究,提出新結(jié)構(gòu)體系模型及相應(yīng)自修復(fù)策略,給出細(xì)胞電路簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法,并得到以可靠性為優(yōu)化目標(biāo)的應(yīng)用設(shè)計(jì)最優(yōu)參數(shù)選擇方法。論文主要貢獻(xiàn)在于:1、提出三層硬件結(jié)構(gòu)模型,包含系統(tǒng)層、組織層和細(xì)胞層。針對(duì)兩層模型中細(xì)胞電路復(fù)雜度隨陣列規(guī)模增大而快速提高的問題,增設(shè)組織層以減小自修復(fù)操作的陣列規(guī)模,可降低細(xì)胞電路復(fù)雜度;針對(duì)四層模型中系統(tǒng)層自修復(fù)導(dǎo)致組織內(nèi)細(xì)胞高度冗余的問題,提出電子組織按邏輯功能分塊、單獨(dú)布局的結(jié)構(gòu),可提高資源利用率。2、面向新硬件結(jié)構(gòu)模型,提出新的分層自修復(fù)策略。細(xì)胞層:進(jìn)行細(xì)胞層各分子模塊故障自測(cè)試設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)部模塊全面自測(cè)試,提出與組織層自修復(fù)相結(jié)合的細(xì)胞內(nèi)分子模塊自修復(fù)方法,可避免細(xì)胞層自修復(fù)引起的硬件冗余;組織層:針對(duì)故障細(xì)胞移除過程將發(fā)生瞬時(shí)故障細(xì)胞永久移除的問題,提出一種故障細(xì)胞可重利用的單細(xì)胞移除自修復(fù)策略,僅移除部分永久故障細(xì)胞,所有瞬時(shí)故障細(xì)胞都可自修復(fù)。3、以完善自測(cè)試、自修復(fù)能力和簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)為目標(biāo),開展細(xì)胞內(nèi)部電路模塊設(shè)計(jì)研究,提出了新的自測(cè)試和自修復(fù)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了電路設(shè)計(jì),驗(yàn)證了有效性。具體包括:⑴提出一種多功能可配置的邏輯功能模塊結(jié)構(gòu),可簡(jiǎn)化常用數(shù)字邏輯的配置信息,提高邏輯分配效率;僅對(duì)影響輸出的LUT存儲(chǔ)單元進(jìn)行測(cè)試,降低了電路復(fù)雜度;邏輯功能模塊的全部瞬時(shí)故障和絕大部分永久故障可修復(fù);⑵基于移位寄存器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配置存儲(chǔ)器,實(shí)現(xiàn)了配置存儲(chǔ)器模塊簡(jiǎn)化;配置存儲(chǔ)器在細(xì)胞層自測(cè)試,與組織層自修復(fù)結(jié)合,可修復(fù)全部瞬時(shí)故障和部分永久故障;⑶設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)與自修復(fù)策略相適應(yīng)的控制模塊電路,并驗(yàn)證了控制過程正確性;⑷提出互連模塊分離布局設(shè)計(jì)法:將配置信息控制的開關(guān)塊布局在細(xì)胞內(nèi)部,將無需配置控制的附加布線電路獨(dú)立設(shè)計(jì),分離設(shè)計(jì)可減小細(xì)胞面積,降低細(xì)胞故障率,采用純組合電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)附加布線電路,重布線速度更快。4、針對(duì)“特定設(shè)計(jì)人員在已知芯片對(duì)象開展設(shè)計(jì)任務(wù),設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)能力由設(shè)計(jì)者決定”的胚胎硬件應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)際,研究應(yīng)用設(shè)計(jì)過程可靠性提高方法,指導(dǎo)設(shè)計(jì)者選擇最佳設(shè)計(jì)策略、確定設(shè)計(jì)參數(shù)。面向胚胎硬件陣列結(jié)構(gòu)體系和細(xì)胞移除自修復(fù)策略,分析電路設(shè)計(jì)過程中硬件資源變化規(guī)律,針對(duì)傳統(tǒng)可靠性模型無法體現(xiàn)細(xì)胞面積變化的不足,引入細(xì)胞面積參數(shù),以其變化來表示細(xì)胞電路設(shè)計(jì)過程中細(xì)胞內(nèi)部模塊電路受設(shè)計(jì)方法影響的情況,建立了不同設(shè)計(jì)策略下的可靠性模型。通過可靠性數(shù)值分析,得到不同自修復(fù)策略、不同細(xì)胞單元粒度大小和不同細(xì)胞陣列布局結(jié)構(gòu)中可靠性的變化規(guī)律,給出最佳設(shè)計(jì)參數(shù)的確定方法。5、設(shè)計(jì)了一個(gè)演示胚胎細(xì)胞陣列自修復(fù)設(shè)計(jì)方法正確性的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN402

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