基于FPGA单芯片四核二乘二取二的安全系统

引 言
    二乘二取二系统的两套计算机系统各有两个CPU，并且所有结构和配件完全相同。两套系统之间采取双机热备份，大幅提高了系统可靠性，在一些领域得到了广泛应用。基于二乘二取二容错结构的计算机联锁系统在国外已有成熟的应用，如K5B和E132，其良好的可靠性和安全性引起国内业界的广泛关注。
    系统可靠性冗余设计是提高系统可靠性的重要方法，但由于冗余会增加系统成本、体积和重量，因此必须合理地选择冗余结构和数量。对价格昂贵、重量大、体积大的冗余部分，更应作合理考虑。由于二乘二取二硬件冗余技术是通过多个相同部件完成同一功能，在提高系统可靠性的同时也存在一些不足：
    ◆增加了系统的成本、结构、重量和所需空间；
    ◆在某些情况下硬件技术的应用受到限制；
    ◆对大型复杂系统均采用硬件冗余技术是不可能的。
    以上不足将限制二乘二取二冗余技术的应用，Fusion和coreABC的组合为以上问题提供了良好的解决方案。

1 二乘二取二系统
    二乘二取二系统有4个CPU，两个CPU组成一组。每两个CPU的输出经比较器表决输出，两个CPU和一个比较器表决系统组成一个子系统。两个子系统具有完全相同的硬件结构，一个为主单元，一个作为备用单元。开机后两个子系统独立同步工作，系统取工作单元的输出为系统输出。当两个子系统均正常工作时，系统取主单元的输出为系统输出，若备用单元发生故障，系统输出仍为主单元的输出，备用单元进入维修状态。当主单元发生故障时，系统切换至备用单元，此时系统输出为备用单元的输出，主单元进入维修状态；一旦主单元维修完毕，可以正常工作时，则系统切换至主单元，取主单元的输出为系统输出。若主单元和备用单元均无法正常工作，则系统故障，系统无法继续正常工作。除子系统故障时系统自动切换外，系统还具有手动切换的功能。由于两个子系统具有完全相同的结构和进行完全相同的工作，所以手动切换不影响系统的正常工作。导致系统故障的因素有很多，根据不同的应用场合，需要针对不同的故障进行检测和维修。二乘二取二系统的工作示意图如图1所示。

2 系统的具体实现
    在设计时，首先要考虑FPGA门电路的数量，以及嵌入4个软核所要占用的门阵列资源。其次，要考虑其他硬件资源，比如时钟、存储器等。综合各方面的考虑，本设计选择Actel的Fusion StartKit数模混合FPGA实现二乘二取二系统。Fusion StartKit数模混合FPGA拥有600万门门阵列，片内集成了Flash存储器、RAM、FIFO和模拟模块；片外提供48 MHz的晶振；支持coreABC软核的嵌入。
2．1 软核的嵌入
    coreABC是一种具有高可配置性的软核，占用资源少，特别适于低端应用。它能够挂载可编程高级外围总线(APB)，支持APB总线下的外围设备，通过coreAI直接控制ACM块，还可配置8位、16位和32位APB接口。可以通过APB总线控制coreAI核，进行电压、电流采集，以及模数转换。图2给出一种配置方案。coreABC可使用软／硬代码存储方式，本设计采用硬代码存储方式。硬代码存储方式只需占用门阵列资源，而软代码存储方式要占用Flash存储口资源。由于FPGA片内集成了2个Flash存储口，嵌入4个核时Flash存储口资源不足。Actel coreABC的推出对实现可配置的小系统极具意义，它使用很少的系统资源就可搭建起完整的控制单元。

2．2 比较电路的实现
    二取二CPU的比较电路采用冗余设计，它主要负责对coreABC软核的总线信号进行比较判决，保证系统正常运行，其电路图如图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。