FPGA单芯片四核二乘二取二的安全系统

文章摘要：如图3所示。比较电路的工作原理为：片外寄存器分别从两个CPU获得总线数据信息，经异或模块OE1=A1+A2，OE2=B1+82进行判断，分别控制数据锁存器输出，并配合时钟信号控制锁存器同步输出；从锁存器输出的数据经或电路处理后形成比较结果，即DATA_OUT=D1+D2。若比较结果确认CPU此次运算一致，则系统正常输出；若比较电路确认CPU运算有误，则重新进行运算。此外，在对CPU输出数据进行比较的同时，比较电路还对CPU是否正常工作进行故障诊断。诊断正常则反馈CPU正常工作信息，使CPU进行下一周期的工作；诊断为故障则反馈CPU错误信息，此时系统切换，取另一组子系统的输出为系统输出，故障子系

FPGA单芯片四核二乘二取二的安全系统,标签：eda技术,eda技术实用教程,http://www.88dzw.com
如图3所示。比较电路的工作原理为：片外寄存器分别从两个CPU获得总线数据信息，经异或模块OE1=A1+A2，OE2=B1+82进行判断，分别控制数据锁存器输出，并配合时钟信号控制锁存器同步输出；从锁存器输出的数据经或电路处理后形成比较结果，即DATA_OUT=D1+D2。若比较结果确认CPU此次运算一致，则系统正常输出；若比较电路确认CPU运算有误，则重新进行运算。

　　此外，在对CPU输出数据进行比较的同时，比较电路还对CPU是否正常工作进行故障诊断。诊断正常则反馈CPU正常工作信息，使CPU进行下一周期的工作；诊断为故障则反馈CPU错误信息，此时系统切换，取另一组子系统的输出为系统输出，故障子系统进入维修状态。这样确保了系统的可靠性、安全性。

　　2．3 系统切换

　　系统切换是二乘二取二系统首要的功能要求，当工作单元出现故障，或者手动切换时，要求进行系统切换。本设计进行了两组故障检测。

　　首先，为每个子系统的两个coreABC分别设置两个看门狗定时器，要求两个coreABC向各自的看门狗发送周期自检信号。若看门狗在溢出前收到该信号则CPU正常工作，否则溢出，该CPU判为故障。子系统的两个CPU中，只要有一个出现故障，在备机正常的情况下，系统就进行切换。其次，将CPU输出结果和子系统输出结果进行比较，若相同则系统正常，否则系统故障。若备用单元正常，则系统切换，取备用单元输出为系统输出。

　　将主单元和备用单元的看门狗溢出信号分别记为WD_PLUSE_1、WD_PLUSE_2，比较器判决信号记为COM_RESULT_1、COM_RESULT_2，手动切换信号记为SWITCH_1、SWITCH_2。只要系统故障或手动切换时，系统进行切换，由此可得切换信号为：

　　AUTO_RST_1=WD_PLUSE_1 ‖COM_RESULT_1 ‖SWITCH_1

　　AUTO_RST_2=wD_PLUSE_2 ‖COM_RESULT_2 ‖SWITCH_2

　　系统切换通过以下语句实现：

　　SYS_OUT=(AUTO_RST_1＆＆AUTO_RST_2)?1'bz：((AUTO_RST_1)?COM_OUT_2：COM_OUT_1)；

　　若主机正常工作，则输出取主机的比较输出；若主机故障，在备用单元正常时，则系统切换取备用单元的输出；若主机修复，则切换到主机工作；若两个子系统均故障，则系统故障。实现的流程如图4所示。

　　对二乘二取二系统结构分析可知，二乘二取二结构同其他冗余方法双模和三模结构相比，系统的安全性可以在较长时间内保持在一个很高的水平。同时二乘二取二结构的系统可靠性和平均寿命等指标均较高，所以是一种综合性能比较好的冗余结构。

　　结 语

　　本文选择了合适的开发板资源，提出一种在FPGA中嵌入4个coreABC软核，实现二乘二取二系统的方法。恰当地利用单芯片有限的资源，嵌入4个coreABC软核，遵循二乘二取二系统的工作原理，合理实现二取二总线比较判决、故障检测和二乘系统切换，经综合后烧入，检验系统功能完全正常。

　　本设计的优势在于单芯片的功耗更小、电路设计更加便捷、系统可靠性和安全性更高、体积小、易维护和易升级换代，符合现阶段我国联锁系统向模块化、智能化、功能多样化方向发展的要求，大大扩展了嵌入式系统应用的广度和深度。嵌入式系统在应用领域发展迅速，随着FPGA技术的进步，单芯片内的逻辑门电路数量更多，软核的编写更加成熟。单芯片多软核的二乘二取二系统具有更强的生命力，它的高可靠性和低成本势必带来广阔的应用空间。

上一页  [1] [2]