面向芯片級自修復(fù)的胚胎電子電路設(shè)計與實現(xiàn)

王群

摘 要：該文以胚胎電子電路的相關(guān)理論為前提，探討了自修復(fù)數(shù)字電路的設(shè)計方法和實現(xiàn)方式，同時對其邏輯塊、配置寄存器和自修復(fù)輔助電路進行粗略的研究。

關(guān)鍵詞：芯片級自修復(fù)技術(shù) 胚胎電子電路 設(shè)計

中圖分類號：TP302 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0042-01

1 胚胎電子電路的基本原理及結(jié)構(gòu)模塊

1.1 胚胎電子電路的基本原理

追根溯源，自修復(fù)機制和胚胎電子電路的結(jié)構(gòu)最初都是來源于人們對多細胞生物體活動的相關(guān)研究，可以說它是生物電子學(xué)的一個重要組成部分。它所采用的是二維陣列的結(jié)構(gòu)，細胞是其組成陣列的基本單元，陣列結(jié)構(gòu)中多余的細胞能夠模擬新細胞，從而把配置信息模擬成生物體的遺傳物質(zhì)，而這每個細胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)又是相同的，主要包括功能電路和自修復(fù)輔助電路兩大部分。

事實上，多細胞生物體是由多個分化的細胞組成的生物體，其分化的細胞各有不同，都具有獨特的、專門的功能，屬于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)發(fā)生局部問題時，生物體往往能夠?qū)崿F(xiàn)自愈，也就是具有自修復(fù)能力。所以，我們可以利用功能復(fù)制來取代那些損壞或死去的細胞，而且是通過細胞級實施自主修復(fù)。

1.2 胚胎電子電路的結(jié)構(gòu)模塊

（1）功能電路模塊，胚胎電子電路中的功能電路主要由邏輯塊、換向塊以及配置寄存器三部分組成。那么，這三個部分負責(zé)的內(nèi)容是什么呢？首先，邏輯塊負責(zé)完成和實現(xiàn)數(shù)字電路的邏輯功能；其次，換向塊是用來改變和調(diào)整信息傳播的方向的，它還能有效地實現(xiàn)細胞單元間邏輯塊的互聯(lián)，從而形成一種十分復(fù)雜的數(shù)字電路；最后，配置存儲器則能夠較好地存儲每個細胞的配置信息，其輸出連接邏輯塊和換向塊，這樣邏輯塊便具有可編程能力，能夠隨時改變細胞和相鄰細胞的連接關(guān)系。

（2）自修復(fù)輔助電路，胚胎電子電路中的自修復(fù)輔助電路可以形象地比喻為細胞中一元自主修復(fù)的“指揮中心”，它的設(shè)計需要和功能電路、自修復(fù)機理直接相互協(xié)調(diào)。在細胞邏輯出現(xiàn)故障的時候開啟自修復(fù)機制，同時產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)控制信息對其他模塊加以控制，讓其他正常細胞繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，這樣使得整個系統(tǒng)得以恢復(fù)正常運行。

2 面向芯片級自修復(fù)的胚胎電子電路設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 邏輯塊的設(shè)計與實現(xiàn)

當(dāng)前，我們常見的邏輯塊結(jié)構(gòu)有兩種，即基于多路選擇器和查找表。前者具有失效率低和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，然而每個細胞的功能性較弱。我們知道，大量細胞的邏輯塊互相連接就可以實現(xiàn)復(fù)雜的系統(tǒng)功能，但是它的布線并不簡單，不能適用于大規(guī)模電路的實現(xiàn)。近些年，在以太網(wǎng)供電工程的細胞設(shè)計中長期采用基于四輸入一輸出的顯示查找表結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了任意的數(shù)字邏輯，然而對于較大規(guī)模電路設(shè)計時仍有諸多不足，主要表現(xiàn)為資源的大量浪費。鑒于此，下面筆者對邏輯塊的結(jié)構(gòu)進行了改進，有效節(jié)省了大量資源，也極大地增強了細胞設(shè)計的靈活性。

對于改進后的邏輯塊內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，此處的邏輯塊由四個兩輸入顯示查找表和D觸發(fā)器組合而成。顯示查找表主要負責(zé)實現(xiàn)組合邏輯的功能，其個個輸入端連接著多路選擇器，可作為選擇開關(guān)，同時也能夠?qū)刂菩盘栠M行約束和控制，從而實現(xiàn)了相鄰細胞邏輯塊之間的連接。而D觸發(fā)器以顯示查找表的輸出為輸入，可以有效實現(xiàn)時序電路。

根據(jù)研究結(jié)果顯示，如果要確定一個細胞邏輯塊實現(xiàn)的邏輯功能，我們至少需要18位控制配置位。結(jié)合顯示查找表的內(nèi)容寫入方式，筆者給出了兩種邏輯塊結(jié)構(gòu)：一是直接把邏輯功能的真值表寫入其中；另一種是可重寫入的邏輯塊結(jié)構(gòu)。

2.2 換向塊的設(shè)計與實現(xiàn)

換向塊的結(jié)構(gòu)主要由八個八選一多路選擇器組成，它能夠全方位地改變信號傳播方向，它在上下左右四個方向上分別有兩根輸入線以及輸出線，并且各個方向的輸出根據(jù)配置位決定對八路輸入中任何一路進行輸出，同時和相鄰細胞的換向塊對應(yīng)多路器輸入相接。

2.3 配置存儲器的設(shè)計與實現(xiàn)

不難發(fā)現(xiàn)，細胞的邏輯塊和換向塊配置位往往能夠決定配置存儲器的單元內(nèi)容。根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)形式，筆者給出了所有配置位的順序，如下圖所示（其中數(shù)字表示比特位的順序，下方注釋是相應(yīng)的配置信息）。

2.4 自修復(fù)輔助電路的設(shè)計與實現(xiàn)

值得注意的是，上述模塊要想完全實現(xiàn)自修復(fù)的功能，還不得不加入自修復(fù)輔助電路設(shè)計。當(dāng)然，在不同的自修復(fù)機制情況下，它的電路設(shè)計也會有所不同?，F(xiàn)階段，很多電路設(shè)計都是基于列移除機制的，它考慮的是列移除的缺點，主要有兩種方案可供參考：（1）為了增強細胞結(jié)構(gòu)的通用性，可以考慮采用基于查找表型的配置存儲器的自修復(fù)輔助電路設(shè)計方式；（2）可以考慮基于移位寄存器型的設(shè)計方式，總體來說，兩種方案都是可行的，需結(jié)合實際情況進行取舍。

3 結(jié)語

該作者認為，未來若胚胎電子陣列能夠做成一種可自修復(fù)通用芯片，那么希望能在該芯片的處理復(fù)雜邏輯功能和電路優(yōu)化設(shè)計等方面努力，要進一步發(fā)展胚胎電子陣列應(yīng)用系統(tǒng)的多目標(biāo)設(shè)計技術(shù)，并且真正實現(xiàn)智能布線，最終實現(xiàn)大規(guī)模電路的自動布局布線。

參考文獻

[1] 張媛.面向芯片級自修復(fù)的胚胎電子電路設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[2] 胡澤文，肖明清.基于胚胎電子電路的自修復(fù)數(shù)字電路研究[J].計算機測量與控制，2012（8）：2300-2302，2306.