“让系统具有自愈能力”：基于Artix-7的四核同步模块化冗余系统

作者：闲情逸致

冗余系统是为了为增加系统的可靠性，采取两套或两套以上相同、相对独立配置的设计。采取两套同样配置的独立硬件、软件或设计等，可以做到在其中一套系统出现故障时，另一套系统能立即启动，代替工作。冗余系统因为前期投入巨大，后期的维护成本高，所以只有在高风险（包括金融风险、行政风险、管理风险以及危及生命安全的风险）行业应用比较广泛，如：金融领域、核安全领域、航空领域、煤矿等领域。

而对于工业界，特别是现在的工业物联网时代，极大部分的公司实现了自动化生产，控制系统的自动化以及安全稳定性对公司的生产经营具有极大的影响，甚至影响到社会经济的发展，因此控制内核的处理器冗余系统开发变得非常重要。

MicroCore实验室目前在开发超小型，基于微定序器的嵌入式处理器内核具有非常多的经验，其处理器内核可以在任何FPGA或ASIC技术中实现。他们最近实现了基于Artix-7 以 MCL51 为内核的同步模块冗余系统应用，着实让业界眼前一亮。

基于Artix-7的四核（MCL51内核）同步模块化冗余系统：
在今年6月，MicroCore实验室将四个兼容8051微处理器核的MCL51处理器集成到售价$99的Avnet/Digilent Xilinx Arty 开发板上，该开发板基于Xilinx Artix-7 35T FPGA，具有同时驱动打印、音乐、显示、铃声等多功能的能力。而就在本周，MicroCor-e使用这个基于Artix-7 35T FPGA的四核开发板实现了一个多模块同步冗余系统。该系统具有探测大量软件错误，以及及时重启进行修复的功能。每个处理器核模块具有独立的阈值逻辑，可以独立检测错误，使得失效模块可以自动关闭甚至是重启。而且完全实现完整的4核结构只消耗700μsec。（从 Microcore app note[http://nebula.wsimg.com/0ee78ba5d125bb06faea0d625e2d9124?AccessKeyId=858... ]可以获得更多的技术细节。）

当然，MicroCore也给出了一个演示视频，在视频中，甚至考虑到该板卡出现严重输入错误的情况，而视频中很清晰的展现了该板卡的“自愈”能力。

四核的8051处理器仅仅占用了1227个Artix-7 LUT资源，只是Artix-7 35T FPGA可编程逻辑的很小一部分。并且在之前的视频演示中，四个例子完美适配基于 Artix-7 A35T FPGA的Avnet/Digilent Xilinx Arty 开发板。此外，这个板卡的价格也是非常具有竞争力的。因为在购买板卡的同时，赠送价值 $2995的Xilinx Vivado HL Design版本的使用权（仅限于该板卡使用）。

Artix-7 A35T FPGA： 
Artix-7是赛灵思28nn FPGA系列之一，它采用采用小型化封装、统一的 Virtex 系列架构，Artix-7 FPGA其核心优势在于高达6.6Gb/s的收发器速度以及最高 DSP 带宽，可连接USB3.0等高速传输设备。目前在低成本超声波、可编程逻辑控制器、软件定义无线电、多协议机器视觉相机等领域应用的非常广泛。对于要求DSP-逻辑混合、增强视频和图像质量并实现波形处理等功能的开发者这款FPGA具有非常大的吸引力。

而本次基于Artix-7 A35T FPGA的应用只占用了很小的编程逻辑却实现了四个处理器同步作用的功能，用户使用“分而治之”的设计理念来搭建嵌入式系统，从而设计变得非常简洁。使用该FPGA实现了功能和设计的双赢。

总结：
MicroCore实验室开发的多核同步处理器冗余系统，极大程度的发现在器件使用过程中产生的不可避免问题，甚至是极为严重的输入错误。同时互不干扰的四核处理器给板卡提供一个非常安全稳定的运行环境。基于Artix-7的器件又在一个新的领域实现了极高价值。相信在Xilinx公司的FPGA广泛应用下，各类器件板卡乃至工业物联网各项控制系统也会具有越来越强的“自愈”能力！