CC BY
23
Секция ««Электронная техника и технологии»
УДК 621.382 + 004.031.6
АРХИТЕКТУРЫ НИЗКОУРОВНЕВОГО СКОЛЬЗЯЩЕГО РЕЗЕРВИРОВАНИЯ ТИПА «SNAKE» В БОРТОВЫХ РЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ
Л. В. Савкин
Публичное акционерное общество «Радиофизика» Российская Федерация, 125363, г. Москва, ул. Героев-Панфиловцев, 10 E-mail: leonid.itmo@mail.ru
Исследуются способы аппаратно-программного построения архитектур регенеративных электронных систем, реализующих низкоуровневое скользящее резервирование фрагментов единого реконфигурируемого вычислительного поля. На базе программируемых логических интегральных схем класса FPGA островного типа разработан вариант архитектуры, реализующей низкоуровневое скользящее резервирование функциональных фрагментов. Проводится анализ достоинств и недостатков предложенной архитектуры для использования ее в составе бортовых регенеративных электронных систем космических аппаратов.
Ключевые слова: регенеративная электронная система, скользящее резервирование, низкий аппаратный уровень, реконфигурируемое вычислительное поле, «Snake»-архитектура.
LOW LEVEL SLIDING RESERVATION SNAKE-ARCHITECTURES IN THE ONBOARD REGENERATIVE ELECTRONIC SYSTEMS
L. V. Savkin
Public joint-stock company «Radiofizika» 10, Geroyev-Panfilovtsev Str., Moscow, 125363, Russian Federation E-mail: leonid.itmo@mail.ru
In operation methods of hardware-software creation regenerative electronic systems architecture realizing the low level sliding reservation in the uniform reconfigurable computing field fragments are researched. On the basis of programmable logic integrated circuits of the class FPGA island type the architectural option realizing the functional fragments low level sliding reservation is developed. The analysis of merits and demerits of the offered architecture for use it as a part of spacecraft onboard regenerative electronic systems is carried out.
Keywords: regenerative electronic system, the sliding reservation, low hardware level, a reconfigurable computing field, Snake-architecture.
Последние технические и технологические достижения в области архитектурного построения программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) класса FPGA позволяют сегодня говорить о практической реализации целого класса качественно новых бортовых отказоустойчивых (толерантных) вычислительных систем космических аппаратов (КА) - регенеративных электронных системах (РегЭС) [4; 5]. Основной отличительной чертой данных систем является возможность реализации мультирезервируемых архитектур, способных осуществлять парирование отказов на низком аппаратном уровне - уровне конфигурируемых логических блоков (КЛБ) [3]. Ввиду наблюдаемой сегодня тенденции к интеграции бортовых вычислительных систем КА, интерес к аппаратно-программной реализации РегЭС становится вполне оправданным не только с точки зрения методов централизованной обработки информации. Данный интерес обусловлен, прежде всего, едиными и унифицированными подходами к решению задач как функционального, так и контрольно-диагностического обеспечения бортовых систем КА.
В [4; 5] были рассмотрены несколько способов практической реализации РегЭС на базе рекон-фигурируемых вычислительных полей (РВП) [1; 2]. В качестве элементной базы последних рассматривались ПЛИС преимущественно класса FPGA с архитектурами островного типа.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
Целью данной работы являлось исследование возможности реализации архитектуры с низкоуровневым скользящим резервированием функциональных фрагментов РВП РегЭС, выполненной на базе восьми ПЛИС XC7V2000T. В рамках данной работы была разработана архитектура, реализующая восстановление функциональных фрагментов РВП по принципу скользящего резервирования, которая ввиду ее S-образного вида получила рабочее название архитектуры типа «Snake», или «Snakew-архитектуры. На рисунке представлен принцип ее формирования в РВП РегЭС.
б
К пояснению принципа формирования «8паке»-архитектуры в РВП РегЭС: а - общий принцип реализации архитектуры с низкоуровневым скользящим резервированием;
б - структура выделенного фрагмента РВП
а
Рис. 1, а иллюстрирует общий принцип реализации архитектуры с низкоуровневым скользящим резервированием. На данном рисунке в составе РВП РегЭС изображена локализованная в РВП
группа резервных фрагментов (ГРФ) Е* = {е^, Е2*, Е3*, Е4*}. Каждый элемент из этой группы посредством глобального коммутатора может осуществлять «замещающее» переподключение (за счет реконфигурации РВП) к любому из элементов набора основных функциональных фрагментов
Е = {Е},- = 1,п . При этом на рис. 1, а количество основных функциональных фрагментов п = 6.
Управление конфигурацией РВП осуществляется на основе данных, формируемых во внешнем относительно наборов-архитектур Е и контролирующем фрагменте РВП РегЭС [4; 5].
На рис. 1, б показана структура выделенного фрагмента РВП, реализующего «8паке»-
архитектуру. Здесь выделены две области ГРФ {е^1 }, ] = 1, т и {е/2}, I = 1, к , которыми возможно
осуществлять резервное замещение элементов из строго локализованного в РВП набора основных функциональных фрагментов {Ех,Е2, ... ,Е20}.
Разработанная «8паке»-архитектура предполагает использование схем низкоуровневого встроенного контроля на участках как основных, так и резервных групп фрагментов РВП РегЭС. Исходя из оценки состояния функциональных фрагментов в контролирующем фрагменте РВП формируются значения конфигурационных функций, которые непрерывно поступают во внешний конфигурационный загрузчик РегЭС для обновления конфигурационных файлов. Значения конфигурационных функций для каждого из элементов обоих групп в «8паке»-архитектуре представляют собой зависимость вида
^РВП = С(Ь, X), (1)
где КРВП - конфигурационная функция фрагмента РВП РегЭС, реализующего основной или резервный элемент «8паке»-архитектуры, включая область, отведенную под глобальный коммутатор; Ь -матрица базовых логико-арифметических функций, реализуемых постоянным набором КЛБ в выделенном фрагменте РВП РегЭС; X - множество направленных связей (дуг) между КЛБ-вершинами, образующими переменный орграф С (Ь, X).
Секция «Электронная техника и технологии»
Здесь необходимо отметить, что разработанная архитектура может быть реализована не только на ПЛИС с архитектурами островного типа. В ряде случаев на основе оценки частоты взаимодействия фрагментов «Snakew-архитектуры друг с другом, а также с учетом отдаленности от них общего глобального коммутатора, безусловно, может быть использована платформа ПЛИС класса FPGA с архитектурой иерархического типа. В таких случаях в качестве одного из способов описания архитектур выделенных фрагментов «Snakew-архитектуры также может быть вполне удобен метод конфигурационных функций, основанный на графоаналитической зависимости (1).
Говоря о достоинствах разработанной архитектуры, необходимо отметить ее в значительной степени универсальность для широкого класса РегЭС, строящихся на базе ПЛИС класса FPGA. Недостатком предложенной архитектуры, как и в большинстве других типов архитектур с низкоуровневым резервированием КЛБ, является сложность реализации схемы встроенного контроля функциональных фрагментов РВП на низком аппаратном уровне.
Библиографические ссылки
1. Реконфигурируемые мультиконвейерные вычислительные структуры / И. А. Каляев, И. И. Левин, Е. А. Семерников и др. / под общ. ред. И. А. Каляева. 2-е изд., перераб. и доп. Ростов-н/Д. Изд-во ЮНЦ РАН, 2009. 344 с.
2. Hauck S. Reconfigurable computing. The theory and practice of FPGA-based computation. Morgan Kaufmann Publ., 2007. 944 p.
3. Уваров С. С. Проектирование реконфигурируемых отказоустойчивых систем на ПЛИС с резервированием на уровне ячеек // Автоматика и телемеханика. 2007. № 9. С. 176-189.
4. Савкин Л. В. Регенеративные электронные системы в космических системах и комплексах // Вестник кибернетики. 2015. № 2 (18). С. 3-32.
5. Савкин Л. В., Кофанов Ю. Н. Регенеративные электронные системы космического применения: базовые модели, структуры и алгоритмы функционирования // Системные проблемы высокой надежности, математического моделирования и инновационных технологий изделий ответственного назначения (ИННОВАТИКА-2015) : материалы XXI Междунар. науч.-техн. конф. и Рос. науч. шк. (2-9 октября 2015, г. Сочи). М., 2015. С. 54-56.
© Савкин Л. В., 2016
