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基于三模冗余的有限状态机容错方法研究

作者及机构
本研究由Marcin Kubica和Robert Czerwinski共同完成，两位作者均来自波兰西里西亚工业大学数字系统系（Department of Digital Systems, Silesian University of Technology）以及KP Labs公司。研究成果发表于期刊Appl. Sci. 2025年第15卷，文章标题为《Error Mitigation Methods for FSM Using Triple Modular Redundancy》，DOI编号为10.3390/app15126726。

学术背景
研究领域为数字电路设计中的容错技术，具体聚焦于现场可编程门阵列（FPGA, Field Programmable Gate Array）上实现的有限状态机（FSM, Finite State Machine）的辐射效应缓解方法。FPGA因其可重构性和灵活性，被广泛应用于医疗、军事、核能和航天等关键领域。然而，高能粒子辐射（如单粒子效应SEE, Single Event Effects）可能导致电路状态翻转（SEU, Single Event Upset）或瞬态错误（SET, Single Event Transient），威胁系统可靠性。三模冗余（TMR, Triple Modular Redundancy）是常见的容错技术，但传统TMR在FSM中的实现方式存在资源占用高、功耗大等问题。本研究旨在探索不同TMR架构在FSM中的效率差异，提出优化方案。

研究流程
1. 理论建模与架构设计
- 提出四种TMR-FSM模型：
- Model 1：仅状态寄存器（D Flip-Flop, DFF）三重化，输出模块无冗余。
- Model 2：状态寄存器和转移逻辑块（Transition Block δ）三重化，输出模块独立。
- Model 3：转移逻辑块三重化且每个模块独立连接寄存器，输出模块通过投票器整合。
- Model 4：整体FSM三重化（黑盒模式）。
- 通过状态转换图（如图8）和错误注入实验（图7）分析各模型对SEU/SET的容错能力。例如，在状态寄存器中注入错误时，Model 1可通过投票器恢复，但转移逻辑错误会导致全局失效。

1. 实验设计与实现

   • 基准测试集：采用LGSynth93标准FSM基准（如表3），覆盖不同输入/输出/状态规模（如dk15、lion、s27等）。
     
   • 工具链：
     
     • 学术工具ABC（面向4输入LUT, Look-Up Table）进行逻辑综合，评估逻辑资源（LUT数量）、逻辑层级（Logic Levels）和动态功耗。
       
     • 商业工具Xilinx Vivado（Artix-7 FPGA）验证实际硬件性能。
       
   • 测试指标：逻辑利用率、功耗、错误恢复能力。例如，Model 3在ABC中显示LUT数量为7023（总和），比Model 4高10%，但提供更全面的输出容错。

2. 数据分析

   • 资源效率：Model 4在ABC中表现最优，LUT总数6381，比Model 0（无冗余）增加2.8倍，但功耗均值（51.81）显著低于Model 3（64.61）。
     
   • 容错能力：Model 2和Model 3能自动纠正转移逻辑错误（表2），而Model 4需外部复位。
     
   • 工具差异：Vivado因优化算法复杂，Model 3结果异常（与Model 0接近），凸显学术工具ABC在架构对比中的稳定性。

主要结果
1. 资源与功耗权衡：Model 4在ABC中实现最佳面积-功耗平衡（LUT 6381，功耗均值58.20），适合资源受限场景；Model 3虽资源占用高（LUT 7023），但支持全模块容错（包括输出）。
2. 容错机制差异：Model 2/3通过分布式投票器实现局部错误隔离，而Model 4的全局冗余需额外复位逻辑（图6）。
3. 编码影响：One-Hot编码在状态寄存器中可快速检测非法状态，但增加触发器（FF）数量（如bbara benchmark中Model 1 FF为30，Model 0为10）。

结论与价值
1. 科学价值：系统化比较了TMR在FSM中的实现策略，揭示了转移逻辑与状态寄存器冗余的协同效应，为FPGA容错设计提供理论框架。
2. 应用价值：Model 4适合航天系统（低复位频率），Model 3适用于医疗设备（高可靠性需求）。研究结果可直接指导ESA（European Space Agency）等机构的辐射硬化设计。
3. 方法论创新：结合学术与商业工具验证，提出ABC更适合早期架构评估，而Vivado需进一步优化TMR综合策略。

研究亮点
1. 全面性：首次将FSM分解为转移逻辑、状态寄存器和输出模块，分别评估TMR效率。
2. 实用性：提供开源基准测试流程（KISS2格式转换至Verilog HDL），支持后续研究复现。
3. 跨工具验证：揭示商业工具在冗余优化中的局限性，推动EDA（Electronic Design Automation）算法改进。

其他发现
- 单粒子闩锁（SEL, Single Event Latchup）未纳入研究，未来可结合物理级加固技术（如抗辐射工艺）扩展。
- 动态部分重配置（Partial Reconfiguration）可能进一步提升Model 4的在线修复能力。

此报告完整覆盖了研究的背景、方法、结果与意义，符合学术交流的严谨性要求。