董暘暘，楊孟飛

(1.北京控制工程研究所，北京 100190;2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100194)

一種基于人工免疫系統(tǒng)的FPGA容錯(cuò)方法

董暘暘1，楊孟飛2

(1.北京控制工程研究所，北京 100190;2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100194)

通過(guò)對(duì)人工免疫系統(tǒng)容錯(cuò)性的分析和研究，提出了將人工免疫系統(tǒng)應(yīng)用于硬件容錯(cuò)的4個(gè)條件.在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種仿照人體細(xì)胞結(jié)構(gòu)的新型FPGA可編程邏輯單元和一種基于人工免疫系統(tǒng)的容錯(cuò)方法.最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M故障的方法對(duì)該設(shè)計(jì)和容錯(cuò)方案的正確性和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證.

人工免疫系統(tǒng);容錯(cuò) ;FPGA

人工免疫系統(tǒng)(artificial immune system)是一類受免疫學(xué)原理啟發(fā)和人體免疫系統(tǒng)機(jī)制而發(fā)展的各種人工范例的統(tǒng)稱［1］.與人體免疫系統(tǒng)相同，人工免疫系統(tǒng)也具有自我學(xué)習(xí)，非我識(shí)別維持免疫對(duì)象穩(wěn)定等功能.因而能被用于容錯(cuò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).

人工免疫系統(tǒng)在容錯(cuò)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在系統(tǒng)級(jí)和器件級(jí)兩方面，并取得了一些成果.美國(guó)空軍基于人工免疫系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套航空器健康管理系統(tǒng)用于對(duì)航空器的實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行檢查［2］，英國(guó)約克大學(xué)則利用人工免疫系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套FPGA容錯(cuò)系統(tǒng)，用于對(duì)有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行故障診斷［3］.因此通過(guò)對(duì)人工免疫系統(tǒng)在容錯(cuò)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行研究對(duì)于跟蹤新技術(shù)，提升設(shè)計(jì)水平具有指導(dǎo)意義.

目前，對(duì)人工免疫系統(tǒng)的研究主要集中于如何提高故障檢測(cè)效率［4］.由于受免疫算法本身效率和免疫對(duì)象與人工免疫系統(tǒng)之間適用性不足以及對(duì)依據(jù)生物學(xué)原理進(jìn)行故障修復(fù)的研究缺乏使得人工免疫系統(tǒng)在容錯(cuò)領(lǐng)域的應(yīng)用一直停留在故障檢測(cè)階段.

此外在硬件容錯(cuò)領(lǐng)域，由于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)不適用于人工免疫系統(tǒng)，因此還沒(méi)有一種實(shí)用的基于人工免疫系統(tǒng)的硬件容錯(cuò)方法.

本文以FPGA為容錯(cuò)對(duì)象，利用人工免疫系統(tǒng)探索一種新的容錯(cuò)方法.

1 人工免疫系統(tǒng)與容錯(cuò)

1.1 人工免疫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般認(rèn)為，人工免疫系統(tǒng)由一些人工免疫組件及其免疫算子構(gòu)成，用以模擬人類免疫系統(tǒng)的自體構(gòu)建、異體檢測(cè)與識(shí)別、異體清除和系統(tǒng)修復(fù)等功能［7］.

一個(gè)完整的人工免疫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括免疫對(duì)象、免疫算法和修復(fù)手段三個(gè)方面.

圖1 人工免疫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

免疫算法是人工免疫系統(tǒng)的核心，其主要功能是通過(guò)智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)免疫對(duì)象狀態(tài)或行為的監(jiān)測(cè)和學(xué)習(xí).

免疫對(duì)象是人工免疫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和保護(hù)的對(duì)象，一般是一個(gè)系統(tǒng)或具體的器件.

修復(fù)手段是一組對(duì)免疫對(duì)象進(jìn)行錯(cuò)誤糾正、故障修復(fù)或屏蔽的方法.

將免疫系統(tǒng)和傳統(tǒng)的容錯(cuò)系統(tǒng)相對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)免疫系統(tǒng)就是一個(gè)成功且有效的容錯(cuò)系統(tǒng).免疫系統(tǒng)容錯(cuò)的基本思想是“識(shí)別-修復(fù)”(如圖2所示)即通過(guò)不斷監(jiān)視機(jī)體的狀態(tài)找出對(duì)機(jī)體造成影響的因素并將其清除以維持機(jī)體的正常工作.

圖2 免疫容錯(cuò)流程

1.2 人工免疫系統(tǒng)用于硬件容錯(cuò)的條件

將人工免疫系統(tǒng)應(yīng)用于硬件容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)硬件應(yīng)滿足以下幾個(gè)條件以適應(yīng)人工免疫系統(tǒng)的工作方式:

1)從可觀測(cè)性看，人體細(xì)胞正常工作時(shí)在表面會(huì)有表征“自我”的信息，硬件電路在工作的時(shí)候也會(huì)通過(guò)電路狀態(tài)產(chǎn)生表征電路工作狀態(tài)的“自我”信息.

2)從可觀測(cè)性看，當(dāng)人體細(xì)胞受到抗原感染后表面特征會(huì)發(fā)生變化，同樣當(dāng)硬件電路發(fā)生故障后其狀態(tài)也會(huì)發(fā)生與正常情況不同的變化.

3)從可修復(fù)性看，人體免疫系統(tǒng)會(huì)殺傷已被抗原感染的病變細(xì)胞，并由干細(xì)胞重新生成一個(gè)新的細(xì)胞以替代原病變細(xì)胞.人工免疫系統(tǒng)也應(yīng)該能夠修復(fù)發(fā)生錯(cuò)誤的電路，使其恢復(fù)正常工作.

4)從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，人體是由大量細(xì)胞構(gòu)成的集合體一樣，硬件也是由大量電路構(gòu)成的集合體.

當(dāng)硬件和人工免疫系統(tǒng)均滿足上述條件時(shí)就能構(gòu)成一套基于人工免疫系統(tǒng)的硬件容錯(cuò)平臺(tái)，該平臺(tái)能夠通過(guò)對(duì)免疫對(duì)象進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)和故障修復(fù).

2 基于人工免疫系統(tǒng)的FPGA容錯(cuò)方法

將硬件免疫系統(tǒng)中的免疫對(duì)象具體化為FPGA便可得到一套FPGA容錯(cuò)系統(tǒng).該系統(tǒng)依照人體免疫系統(tǒng)中適應(yīng)性免疫的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，對(duì) FPGA工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并進(jìn)行修復(fù).

2.1 FPGA容錯(cuò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

人工免疫系統(tǒng)在FPGA容錯(cuò)系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)人體免疫系統(tǒng)中B細(xì)胞、記憶T細(xì)胞和殺傷T細(xì)胞這三種細(xì)胞的功能，其結(jié)構(gòu)和功能如圖3所示.

圖3 采用人工免疫系統(tǒng)的FPGA容錯(cuò)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

其中，F(xiàn)PGA工作狀態(tài)檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)模擬人體B細(xì)胞抗原匹配和抗體產(chǎn)生功能.通過(guò)將當(dāng)前FPGA工作狀態(tài)位串和隨機(jī)位串進(jìn)行比對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA工作狀態(tài)的檢測(cè).模擬人體記憶T細(xì)胞的功能的是位串存儲(chǔ)模塊，該模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)能檢測(cè)電路工作狀態(tài)的位串，以加快檢測(cè)速度并提高檢測(cè)效率.錯(cuò)誤修復(fù)模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人體殺傷T細(xì)胞的功能，該模塊負(fù)責(zé)在檢測(cè)到FPGA發(fā)生故障后對(duì)故障FPGA進(jìn)行錯(cuò)誤修復(fù)，恢復(fù)FPGA的正常工作.這些模塊中除位串生成和部分匹配檢測(cè)在FPGA外由程序?qū)崿F(xiàn)外其余部分都在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn).

人工免疫系統(tǒng)在FPGA容錯(cuò)系統(tǒng)中主要完成模式識(shí)別、錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤修復(fù)功能，其工作分為學(xué)習(xí)、錯(cuò)誤檢測(cè)、修復(fù)三個(gè)階段.

2.1.1 學(xué)習(xí)階段

在該階段中需要保持被測(cè)系統(tǒng)的正常工作，以便人工免疫系統(tǒng)將電路狀態(tài)作為“自我”進(jìn)行學(xué)習(xí)，該過(guò)程主要由陰性選擇算法(Negative Selection Algorithm-NSA)實(shí)現(xiàn)［8］.陰性選擇算法產(chǎn)生大量的隨機(jī)位串作為抗體，這些位串與本體抗原具有相同的長(zhǎng)度和編碼方式，陰性選擇算法每生成一個(gè)隨機(jī)位串，就相當(dāng)于產(chǎn)生了一個(gè)能產(chǎn)生某種抗體的B細(xì)胞，這種抗體會(huì)與“自我”抗原進(jìn)行部分匹配，以模擬人體免疫系統(tǒng)中抗原決定基匹配模式.如果陰性選擇算法所產(chǎn)生的抗體與本體抗原相匹配則表明該B細(xì)胞沒(méi)有通過(guò)考核將會(huì)被淘汰.反之，如果產(chǎn)生的抗體和本體抗原沒(méi)有發(fā)生匹配則說(shuō)明該B細(xì)胞通過(guò)了考核，其所產(chǎn)生的抗體字符串將會(huì)被存儲(chǔ)起來(lái)，產(chǎn)生具有免疫記憶效應(yīng)的記憶T細(xì)胞，而人工免疫系統(tǒng)則對(duì)被測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生了免疫耐受能力.在這一過(guò)程體現(xiàn)了人工免疫系統(tǒng)的智能性.

2.1.2 錯(cuò)誤檢測(cè)階段

在該階段，人工免疫系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)收集被測(cè)對(duì)象的工作狀態(tài)并將其與存儲(chǔ)在記憶T細(xì)胞中的抗體進(jìn)行比對(duì)，一旦發(fā)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的當(dāng)前狀態(tài)和某個(gè)抗體匹配則意味著被測(cè)對(duì)象出現(xiàn)了故障，此時(shí)記憶T細(xì)胞就會(huì)向人工免疫系統(tǒng)中執(zhí)行故障恢復(fù)任務(wù)的殺傷T細(xì)胞發(fā)出激活信號(hào)開啟故障修復(fù)過(guò)程.

2.1.3 故障恢復(fù)階段

一旦人工免疫系統(tǒng)檢測(cè)到被測(cè)系統(tǒng)的故障便會(huì)激活負(fù)責(zé)進(jìn)行故障修復(fù)的殺傷T細(xì)胞執(zhí)行故障修復(fù)任務(wù).殺傷T細(xì)胞將會(huì)按照設(shè)定的故障修復(fù)程序?qū)Τ霈F(xiàn)故障的FPGA進(jìn)行不同粒度和不同策略的修復(fù)，而修復(fù)所需要的時(shí)間和修復(fù)過(guò)程對(duì)FPGA正常工作的干擾則會(huì)時(shí)修復(fù)的粒度和策略而定.

2.2 適用于人工免疫系統(tǒng)的FPGA結(jié)構(gòu)

為了能夠更好地理解人工免疫系統(tǒng)如何作用于FPGA并實(shí)現(xiàn)對(duì)它的故障檢測(cè)和修復(fù)，建立了如表1所示的FPGA結(jié)構(gòu)和生物體的映射關(guān)系.

通過(guò)這一映射關(guān)系就可以用人體細(xì)胞的工作流程來(lái)描述描述FPGA的工作流程，如表2所示.

通過(guò)類比生物體細(xì)胞的工作流程可以看出FPGA從不具有用戶設(shè)計(jì)的功能到被配置為具有用戶設(shè)計(jì)功能的過(guò)程和生物體細(xì)胞的工作流程具有相似之處，使得人工免疫系統(tǒng)在FPGA容錯(cuò)領(lǐng)域的應(yīng)用滿足第二章所提出的4個(gè)條件.

表1 生物體結(jié)構(gòu)和FPGA結(jié)構(gòu)映射關(guān)系

表2 FPGA工作流程和人體細(xì)胞工作流程

但由于現(xiàn)有FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)并沒(méi)有針對(duì)容錯(cuò)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，使得人工免疫系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì) FPGA故障的準(zhǔn)確定位和修復(fù).有鑒于此，本文提出一種基于查找表(Look Up Table-LUT)的新型FPGA可編程邏輯塊(Configurable Logic Block-CLB)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對(duì)于配置寄存器、LUT和基本單元中的寄存器被單粒子擊中后發(fā)生翻轉(zhuǎn)的故障［9］提供更精確的故障定位和修復(fù)能力.

2.3 FPGA可編程邏輯塊設(shè)計(jì)

為了使FPGA在工作時(shí)能夠反映出電路工作的現(xiàn)態(tài)和前態(tài)以供人工免疫系統(tǒng)對(duì)電路工作狀態(tài)進(jìn)行檢查，對(duì) FPGA中原有的 CLB結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)成圖4中所示的被稱為“細(xì)胞(Cell)”的結(jié)構(gòu)作為FPGA中的最小可編程單元.

該結(jié)構(gòu)由基本單元(basic unit-BU)和配置寄存器構(gòu)成.每個(gè)BU由一個(gè)查找表(LUT)、三個(gè)寄存器(register)和一個(gè)多路選擇器(mux)構(gòu)成，LUT和MUX均可配置.由于 LUT的輸出存在三條延遲分別為0時(shí)鐘周期、1時(shí)鐘周期和2時(shí)鐘周期的路徑，因此兩個(gè)BU可以被配置為具有同樣功能但是輸出延遲不同以便于人工免疫系統(tǒng)對(duì)FPGA中細(xì)胞的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè).

圖4(a) FPGA中細(xì)胞內(nèi)基本單元(BU)結(jié)構(gòu)

圖4(b) FPGA中細(xì)胞(cell)結(jié)構(gòu)

2.3.1 FPGA中“細(xì)胞”的配置過(guò)程

針對(duì)FPGA中“細(xì)胞”結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)并參照生物體細(xì)胞的工作流程，F(xiàn)PGA中“細(xì)胞”的配置過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段:

1)干細(xì)胞階段:上電，配置寄存器中沒(méi)有任何用戶數(shù)據(jù)，“細(xì)胞”輸出全部被封鎖，不表現(xiàn)任何功能.

2)分化階段:配置位流寫入配置寄存器，默認(rèn)情況下三個(gè)BU中的第一路會(huì)按用戶設(shè)計(jì)被配置為組合邏輯或時(shí)序邏輯(用戶設(shè)計(jì))，第二路則會(huì)被配置為與用戶設(shè)計(jì)具有相同功能但輸出慢一個(gè)時(shí)鐘周期的邏輯(用戶設(shè)計(jì)的過(guò)去時(shí))，第三路BU則會(huì)被配置為具有相同功能但是不輸出結(jié)構(gòu)的邏輯(用戶邏輯的隱式).此時(shí)“細(xì)胞”具備反映自我當(dāng)前和上一個(gè)時(shí)鐘周期工作狀態(tài)的能力.

3)分化結(jié)束階段:用戶配置位流由配置寄存器寫入查找表，“細(xì)胞”完成配置.

4)工作階段:“細(xì)胞”按照用戶設(shè)計(jì)進(jìn)行工作，同時(shí)外部系統(tǒng)以一定的速率對(duì)其中的配置寄存器進(jìn)行刷新以保證配置數(shù)據(jù)正確性，該過(guò)程不影響FPGA的正常工作.

2.3.2 錯(cuò)誤檢測(cè)

當(dāng)“細(xì)胞”完成配置后便開始按用戶設(shè)計(jì)進(jìn)行工作.此時(shí)“細(xì)胞”會(huì)有兩路輸出，一路是按照用戶設(shè)計(jì)工作的組合邏輯或時(shí)序邏輯輸出，稱為用戶邏輯，另一路是按照用戶設(shè)計(jì)工作的比前一路輸出慢一個(gè)時(shí)鐘周期的輸出，用以反映用戶邏輯過(guò)去的工作狀態(tài)，稱為用戶邏輯的過(guò)去時(shí).人工免疫系統(tǒng)采集“細(xì)胞”的輸入和輸出并與“記憶T細(xì)胞”中的抗體進(jìn)行比對(duì)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè).

2.3.3 錯(cuò)誤修復(fù)

當(dāng)FPGA中的“細(xì)胞”被單粒子擊中發(fā)生翻轉(zhuǎn)后，輸出就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，這一過(guò)程類似于生物體細(xì)胞被病毒感染后發(fā)生細(xì)胞功能錯(cuò)誤.當(dāng)人工免疫系統(tǒng)檢測(cè)到錯(cuò)誤后便會(huì)激活“殺傷T細(xì)胞”執(zhí)行錯(cuò)誤修復(fù)功能，其具體步驟如下:

1)關(guān)閉“細(xì)胞”中第一路BU的輸出，防止錯(cuò)誤的繼續(xù)傳播.

2)將“細(xì)胞”中的第二路BU配置為用戶邏輯.

3)將“細(xì)胞”中第三路BU配置為用戶邏輯的過(guò)去時(shí).

4)重新向第一路BU中的查找表寫入配置數(shù)據(jù)，并將其配置為用戶邏輯的隱式.

5)人工免疫系統(tǒng)再次檢測(cè)“細(xì)胞”工作狀態(tài)，若沒(méi)有錯(cuò)誤則保持其現(xiàn)有狀態(tài)，如果故障依然存在則繼續(xù)進(jìn)行下面的操作.

6)將第三路BU配置為用戶邏輯.

7)將第一路BU配置為用戶邏輯的過(guò)去時(shí).

8)將第二路BU配置為用戶邏輯的隱式.

9)人工免疫系統(tǒng)重新執(zhí)行檢測(cè)若沒(méi)有錯(cuò)誤則保持“細(xì)胞”的現(xiàn)有狀態(tài)，如果故障依然存在則清除當(dāng)前出錯(cuò)“細(xì)胞”的功能，使其干細(xì)胞化并重新執(zhí)行一次完整的配置過(guò)程.

3 實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述適應(yīng)于人工免疫系統(tǒng)的FPGA結(jié)構(gòu)的可用性和正確性，在Altera公司的Cyclone II型FPGA上用VHDL語(yǔ)言對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 新型FPGA可編程邏輯單元框圖

系統(tǒng)上電后 FPGA中的“細(xì)胞”被配置為實(shí)現(xiàn)“0-1”計(jì)數(shù)器功能，通過(guò)人工免疫系統(tǒng)對(duì)“細(xì)胞”的輸入和輸出進(jìn)行耦合采樣并將其作為表征“細(xì)胞”工作狀態(tài)的特征進(jìn)行學(xué)習(xí)和檢測(cè)，結(jié)果如圖6所示(從下往上分別對(duì)應(yīng)“細(xì)胞”的輸入、第三路輸出、第二路輸出和第一路輸出)從圖中可以看出“細(xì)胞”的三路輸出間存在時(shí)延，正是因?yàn)檫@一時(shí)延使得“細(xì)胞”可以產(chǎn)生表征自己當(dāng)前和過(guò)去狀態(tài)的信息以利于人工免疫系統(tǒng)對(duì)其工作狀態(tài)的檢測(cè).

圖6 “細(xì)胞”輸出波形

為了驗(yàn)證人工免疫系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)誤的診斷和修復(fù)能力，實(shí)驗(yàn)中模擬了因“細(xì)胞”內(nèi)LUT被單粒子擊中造成配置信息改變而發(fā)生的輸出“stuck-at-0”和“stuck-at-1”故障(如圖7、8所示)并驗(yàn)證了在這兩種故障模式下人工免疫系統(tǒng)對(duì)“細(xì)胞”的修復(fù)功能.

圖7 “細(xì)胞”發(fā)生stuck-at-0故障

圖8 “細(xì)胞”發(fā)生stuck-at-1故障

當(dāng)發(fā)生輸出“stuck-at-0”故障時(shí)，由于人工免疫系統(tǒng)所采集到的“細(xì)胞”特征與學(xué)習(xí)得到的細(xì)胞正常工作特征相背，因此認(rèn)定“細(xì)胞”出現(xiàn)故障，并按第三章中所給出的修復(fù)流程對(duì)故障“細(xì)胞”進(jìn)行修復(fù)使其恢復(fù)正常工作，如圖9所示.同理，當(dāng)發(fā)生輸出“stuck-at-1”故障時(shí)，人工免疫系統(tǒng)也能發(fā)現(xiàn)故障并對(duì)“細(xì)胞”進(jìn)行修復(fù).

圖9 修復(fù)后恢復(fù)正常的“細(xì)胞”

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)人體免疫系統(tǒng)中適應(yīng)性免疫的研究，提出了將人工免疫系統(tǒng)應(yīng)用到硬件容錯(cuò)設(shè)計(jì)中的4條原則.為讓人工免疫系統(tǒng)在FPGA容錯(cuò)方面發(fā)揮最優(yōu)效果，設(shè)計(jì)了一種仿照人體細(xì)胞工作原理的新型FPGA可編程邏輯單元，該單元能夠模擬人體細(xì)胞通過(guò)輸出反映內(nèi)部工作狀態(tài)，并能方便地進(jìn)行故障修復(fù).

在實(shí)驗(yàn)中將通過(guò)模擬FPGA發(fā)生故障的情況對(duì)人工免疫系統(tǒng)和新型FPGA可編程邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證.結(jié)果表明新型FPGA可編程邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正確，工作正常，人工免疫系統(tǒng)也發(fā)揮了對(duì)FPGA進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)和錯(cuò)誤修復(fù)的功能，實(shí)現(xiàn)了基于人工免疫系統(tǒng)的FPGA容錯(cuò).

［1］ 莫宏偉，左興權(quán)，畢曉君.人工免疫系統(tǒng)研究進(jìn)展［J］.智能系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2009， 4(1):21-29

［2］ Krishna K K.Artificial immune system approaches for aerospace applications［R］.The 41stAIAA Aerospace Sciences Meetingamp;Exhibit，Nevada USA，2003

［3］ Bradley D W，Tyrrell A M.Immunotronics-novel finitestate-machine architectures with built-in self-test using self-nonself differentiation ［J］.IEEE Transactions on Evolutionary Computation，2002，6(3):227-238

［ 4 ］ Zhao P，Zhang L，Mu X D，et al.A matrix negative selection algorithm for anomaly detection ［C］.IEEE Congress on Evolutionary Computation，Washington， DC，USA，July 22-24， 2008

［5］ Tian X， Yang H D，Deng F Q.A novel artificial immune network algorithm［C］.The 23rdInternational Conference on Machine Learning and Cybernetics(ICML)，Pittsburgh，USA，June 25-29，2006

［ 6 ］ Erhan A，Mehmet K，Ilhan A.Artificial immune inspired fault detection algorithm based on fuzzy clustering and genetic algorithm methods［C］.IEEE International Conference on Computational Intelligence for Measurement Systems and Applications(CISMA)，Istanbul，Turkey，July 14-16，2008

［7］ 莫宏偉，左興權(quán)，人工免疫系統(tǒng)［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［8］ Forrest S，Perelson A， Allen L， et al.Self-nonself discrimination in a computer［C］.IEEE Computer Society Symposium on Research in Security and Privacy，Oakland，USA，May 16-18，1994

［9］ Violante M，Ceschia M，Sonza R M，et al.Analyzing SEU effects is SRAM-based FPGAs［C］.The 9thIEEE On-Line Testing Symposium(IOLTS)， Koss Island，Greece，July 7-9，2003

An Artificial Immune System-Based Method for Fau lt-Tolerant FPGA

DONG Yangyang1，YANG Mengfei2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China;2.China Academy of Space Technology， Beijing 100194， China)

The fault-tolerance capability of an artificial immune system is analyzed and researched，and four conditions for the artificial immune system used for hardware fault-tolerant are presented.A new human cell based FPGA configurable logic block architecture and an artificial immune system based fault tolerant method are designed.Finally fault simulations demonstrate that the design and the fault-tolerant scheme are valid and effective.

artificial immune system;fault tolerant;FPGA

V4

A

1674-1579(2011)02-0054-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2011.02.010

2011-01-23

董暘暘(1985-)，男，四川人，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用和空間容錯(cuò)技術(shù) (e-mail:brent.dyy@gmail.com).