电子信息研究生论文提纲

论文题目：胚胎型仿生自修复硬件设计关键技术研究

摘要：近年来,随着我国航天事业的飞速发展,越来越多的航天器被送入太空。太空复杂恶劣的环境容易使其中的电子系统尤其是数字电路出现故障,而故障发生后维修极其困难甚至人力不可达,因而提高数字电路的环境适应性与任务可靠性,是提升航天器任务可靠性的关键。胚胎型仿生自修复硬件（胚胎硬件）,改变了传统数字电路的电路结构、容错模式以及设计方法,为提高电子系统的任务可靠性提供了新的解决方案。经过约二十年的发展,胚胎硬件的研究已取得了不少成果,但在布局布线、硬件资源开销、配置信息操作、自组织自修复、故障检测等方面离工程应用仍有较大差距。为此,论文以面向实用的胚胎硬件设计需求为牵引,开展相关关键技术研究,主要内容包括:1、基于图论的多层胚胎硬件设计方法。针对典型胚胎硬件布线复杂等问题,参考激素传播方式,提出一种结合近邻连接和片上网络的多层胚胎硬件结构,介绍其工作原理与自修复特性;针对资源开销大的问题,在给出胚胎硬件设计流程的基础上,提出基于图论的胚胎硬件设计方法,研究基于功能流图和带冗余功能流图实现自组织与自修复的方法。多层胚胎硬件结构提高了典型胚胎硬件的布线效率与自修复能力;基于图论的设计方法实现了自组织与自修复过程一体化,可降低胚胎硬件结构的复杂程度,减小硬件资源开销。2、面向胚胎硬件的模块化自组织配置机制。针对胚胎硬件实现细胞分化、复制等过程的配置信息操作需求,参考ubichip中使用的Theseus机制,提出一种面向胚胎硬件的模块化自组织配置机制,对其原理与功能特点进行详细说明,从时间消耗、资源开销等方面与Theseus机制进行对比,以配置多层结构的胚胎硬件为例介绍配置机制的应用方法。该机制可为胚胎硬件的配置信息操作提供一种解决方案,也可用于其它模块化可重构硬件电路的配置。3、数据驱动胚胎硬件自组织容错及故障检测方法。针对传统自组织自修复过程复杂等不足,参考自组织有关理论,提出一种面向无环任务流图胚胎硬件应用的数据驱动自组织容错方法,基于Matlab仿真对其自组织与容错能力进行验证;该方法实现了阵列细胞功能的自动分化,并在自组织时自动实现容错,简化了自组织自修复过程,为自组织自修复提供了一种简单有效的解决方案。针对与输入输出细胞相连的引脚焊点容易出现故障但缺乏相应检测方法的不足,研究一种焊点故障低功耗在线检测方法,并基于FPGA的实验验证其故障检测能力与低功耗特性;该方法将胚胎硬件的故障检测范围从芯片内部扩展到芯片引脚,则拓展了其故障检测范围。4、胚胎型仿生自修复硬件设计实验平台研究。分析胚胎硬件设计的实验需求,设计仿生自修复实验平台总体方案;研制基于Xilinx K7 FPGA的胚胎硬件开发系统,开发FPGA软故障注入系统;通过PID控制实验对平台进行测试,结果表明实验平台可为胚胎硬件的设计与验证提供支持。

关键词：任务可靠性;多层胚胎硬件;配置机制;自组织容错;焊点故障检测;故障注入;FPGA

学科专业：机械工程

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 胚胎硬件结构设计

1.2.2 胚胎硬件自组织与自修复

1.2.3 胚胎硬件故障检测

1.2.4 胚胎硬件开发平台及应用

1.3 研究思路与章节安排

第二章 基于图论的多层胚胎硬件设计方法

2.1 多层胚胎硬件结构的提出

2.1.1 典型胚胎硬件的结构

2.1.2 片上网络NoC

2.1.3 激素的传播方式

2.2 激素传播启发式多层胚胎硬件结构

2.2.1 层次结构与组成

2.2.2 各层次的工作原理

2.2.3 自修复特性

2.3 多层胚胎硬件结构及其图论描述

2.3.1 图论的基本理论

2.3.2 多层胚胎硬件结构的图论描述

2.4 胚胎硬件的设计流程

2.4.1 FPGA及其应用

2.4.2 FPGA设计流程

2.4.3 胚胎硬件开发步骤

2.5 基于图论的胚胎硬件设计方法

2.5.1 功能流的图论描述

2.5.2 带冗余的功能流的图论描述

2.5.3 功能流图的优化问题

2.5.4 带冗余功能流图的多层胚胎硬件实现

2.6 本章小结

第三章 面向胚胎硬件的模块化自组织配置机制

3.1 配置机制的问题提出

3.1.1 可发育人工生物体OAO

3.1.2 胚胎硬件与OAO

3.1.3 胚胎硬件实现面临的问题

3.2 配置机制的工作基础

3.2.1 分子的基因组成

3.2.2 分子的结构

3.3 配置机制的功能及其工作原理

3.3.1 细胞器构建

3.3.2 细胞器分化

3.3.3 细胞器复制

3.3.4 更多功能或特点

3.4 配置机制的硬件实现

3.4.1 硬件实现

3.4.2 ISIM仿真

3.4.3 资源开销分析

3.5 配置机制在多层硬件结构中的应用

3.6 本章小结

第四章 胚胎硬件自组织容错与故障检测方法

4.1 自组织容错方法的提出

4.1.1 面临的主要问题

4.1.2 自组织的特征与基本条件

4.1.3 自组织容错方法的应用对象

4.2 数据驱动自组织容错方法的实现原理

4.2.1 假设条件与基本实现思路

4.2.2 基于改进自由扩散模型的细胞地址信息形成

4.2.3 基于激活抑制模型的细胞动态功能分化

4.2.4 基于基因活性的数据包转发机制

4.3 数据驱动自组织容错方法的仿真实验验证

4.3.1 仿真条件

4.3.2 地址信息形成

4.3.3 自组织能力

4.3.4 容错能力

4.4 输入输出细胞故障检测方法

4.4.1 基于阻抗的焊点故障检测

4.4.2 低功耗在线阻抗测量方法

4.4.3 实验验证

4.5 本章小结

第五章 胚胎型仿生自修复硬件设计实验平台研究

5.1 实验平台总体方案

5.1.1 胚胎硬件实现方式

5.1.2 胚胎硬件实验需求分析

5.1.3 基于FPGA的实验平台总体结构

5.2 基于FPGA的胚胎硬件开发系统

5.2.1 开发系统结构设计

5.2.2 开发系统实现

5.2.3 多轴运动控制系统

5.3 FPGA软故障注入系统

5.3.1 故障注入方法选择

5.3.2 故障注入系统结构设计

5.3.3 故障注入系统实现

5.4 实验平台功能验证

5.4.1 PID控制器

5.4.2 功能验证方法

5.4.3 功能验证结果

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 工作结论

6.2 工作展望

致谢

参考文献