朱愛軍，陳端勇，胡 聰，許川佩，陳 帥

(1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院，廣西桂林 541004；2.廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室，廣西桂林 541004)

0 引言

隨著芯片多處理器(CMPS)密度的增加和大數(shù)據(jù)時代的到來,基于傳統(tǒng)片上網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的片上系統(tǒng)(SOC)技術(shù)在功耗、吞吐率、可靠性以及時延等方面都存在巨大的挑戰(zhàn)[1]。為了應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，在2008年前后，有研究人員提出將光互聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到片上系統(tǒng)，并將這種結(jié)構(gòu)命名為光片上網(wǎng)絡(luò)。其在帶寬、抗干擾性、能耗等方面比傳統(tǒng)片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有巨大優(yōu)勢。近幾年隨著硅-光集成技術(shù)及工藝的發(fā)展，利用高性能、低功耗和低延時的光互連網(wǎng)絡(luò)(photonic network-on-chip，PNOC)代替金屬互聯(lián)成為可能[1]。

PNOC中的關(guān)鍵光設(shè)備是微環(huán)諧振器(MRR)，MRR是制作在光波導(dǎo)上的微型環(huán)，對溫度的波動非常敏感，而且制造工藝復(fù)雜，這些原因使得MRR很容易發(fā)生故障與制造缺陷，單個MRR的故障會導(dǎo)致所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息發(fā)生誤傳甚至丟失，從而導(dǎo)致PNOC的整體性能下降。怎樣對MRR故障進行有效的檢測是提高PNOC可靠性的關(guān)鍵，而MRR故障模擬器是驗證MRR故障檢測的關(guān)鍵。

雖然現(xiàn)在MRR應(yīng)用在很多地方,但是總的來說，主要還是應(yīng)用在這些方面：濾波器、光開關(guān)、激光器、光調(diào)制器、傳感器等[2]。光開關(guān)利用微環(huán)諧振器的材料對溫度和其他因素敏感。光調(diào)制器是利用電極來使MRR的折射率發(fā)生變化，這樣就會導(dǎo)致輸出信號的相位發(fā)生相應(yīng)的變化，然后就可以實現(xiàn)對信號的調(diào)制。MRR也可用作傳感器，可以用來測試溫度和溶液濃度[3]。其作為傳感器的理論基礎(chǔ)是：被檢測物質(zhì)的變化會引起MRR中的環(huán)形波導(dǎo)的折射率變化，這樣會使MRR的諧振峰發(fā)生變化。這樣就可以通過測量這個變化量反映出被測量的變化量。

雖然微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，但是國內(nèi)外大多數(shù)研究都沒有考慮到微環(huán)諧振器的故障檢測問題，或者都是基于故障已知的情況下。例如Michael等人提出的一種故障容錯的PNOC結(jié)構(gòu)(FT-PHENIC)[4]。這種方法是基于微諧振環(huán)故障容錯的光路由器和一個自適應(yīng)路徑配置和路由算法[5]。又比如“MinTrim”方法，是為了解決微諧振環(huán)諧振波長漂移以及帶寬損失問題[6]。所以MRR的故障檢測是一個全新又非常重要的課題,而MRR故障模擬器是完成MRR故障檢測的基石。

1 MRR故障建模

MRR有2種基本的耦合模式，一種是由單環(huán)和2個平行直波導(dǎo)耦合，如圖1 ；另一種是單環(huán)和2個垂直直波導(dǎo)耦合，如圖2。如圖1和圖2所示，當(dāng)MRR無故障時，光從Input端輸入，當(dāng)MRR為OFF狀態(tài)時，光從Through端輸出；當(dāng)MRR無故障時，光從Input端輸入，當(dāng)MRR為ON狀態(tài)時，光從Drop端輸出。

圖1 無故障MRR平行直波導(dǎo)耦合

圖2 無故障MRR垂直波導(dǎo)耦合

當(dāng)考慮永久故障模型時， MRR可能會出現(xiàn)2種故障：滯1故障和滯0故障。滯1故障是指當(dāng)輸入端(Input)有光輸入時，同時通過控制讓MRR處于“OFF”狀態(tài)，此時光應(yīng)該從通過端(Through)輸出，接收端(Drop)沒有光輸出，但是由于故障，使光實際從接收端(Drop)輸出，模型如圖3所示。滯0故障是指當(dāng)輸入端(Input)有光輸入時，同時通過控制讓MRR處于“ON”狀態(tài)，此時光應(yīng)該從接收端(Drop)輸出，直通端(Through)沒有光輸出，但是由于故障，使光實際從直通端(Through)輸出，模型如圖4所示。

圖3 MRR滯1故障

圖4 MRR滯0故障

2 故障模擬器設(shè)計原理

假設(shè)有光時為1，沒光時為0，無故障MRR可以簡化為如圖5(a)所示。

圖5所示Input為輸入，O1為接收端(Drop)，O2為直通端(Through)，Ctrl為MRR中的控制端。當(dāng)Ctrl為0時相當(dāng)于“OFF”狀態(tài)，為1時相當(dāng)于“ON”狀態(tài)；當(dāng)Iuput輸入為1時，Ctrl為“ON”和“OFF”狀態(tài)時，具體輸出如表1所示。

表1 無故障MRR真值表(Input=1)

當(dāng)MRR出現(xiàn)故障時，真值表如表2所示。

表1與表2對比可以看出出現(xiàn)故障時，O1和O2的值與正常時相反，這樣對比可以看出當(dāng)MRR出現(xiàn)故障時，相當(dāng)于給控制端加一個反相器，使其狀態(tài)相反。所以出現(xiàn)故障的MRR可以簡化為如圖5(b)所示的模型。

圖5 MRR簡化模型

Ctrl10O101O210故障類型s-a-0s-a-1

采用MRR為核心器件，可以構(gòu)建光片上網(wǎng)絡(luò)的光路由器，如圖6所示。

圖6(a)是一個4×4光路由器 (first 4×4 photonic router，F(xiàn)PR),它具有4段不同的光波導(dǎo)以及4個交叉點,總共有8個MRR；

圖6(b)是第一個非阻塞光路由器(first non-blocking photonic router ，F(xiàn)NBPR)，它具有更多的內(nèi)部交叉點，同樣總共有8個MRR。

本文采用MRR故障模擬器分別設(shè)計FPR光路由器故障模擬器和FNBPR光路由器故障模擬器。

3 MRR故障模擬器設(shè)計

MRR故障模擬器的設(shè)計，經(jīng)過原理分析和方案論證，決定采用SGM3157芯片。SGM3157是模擬開關(guān)芯片。

設(shè)計MRR故障模擬器電路如圖7和圖8所示。P1(控制端)連接到74LS164芯片的8個輸出端口，IN(輸入端)連接到STC89C52芯片的P0的低四位端口，OUT(輸出端)連接到STC89C52芯片的P0的高四位端口。

圖6 FPR光路由器和FNBPR光路由器

圖7 FPR型故障模擬器電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機通過對4×4故障設(shè)置模塊，進行判鍵之后根據(jù)讀取到的鍵值不同來對MRR故障模擬器模塊進行設(shè)置并送顯示模塊進行顯示，之后給MRR故障模擬器模塊輸入測試矢量，MRR故障模擬器輸出相應(yīng)的值，單片機讀取這個值與故障表對比進行故障判斷，然后把判斷的結(jié)果送顯示模塊進行顯示。

進行按鍵判斷之后，將讀取到的鍵值存到參數(shù)a中，當(dāng)a=0或1時，相當(dāng)于切換MRR故障模擬器模塊，就根據(jù)模塊切換判斷故障程序，當(dāng)a=2和3時，相當(dāng)于切換二選一芯片的控制端，2的時候控制端給0，3的時候控制端給1；當(dāng)a=4～11時，意味著給編號位1～8中的一個二選一開關(guān)的控制端加反相器，4對應(yīng)1號，5對應(yīng)2號，以此類推，11對應(yīng)8號。舉個例子：先按下按鍵1，鍵值為0，選擇MRR故障模擬器模塊為0，之后按下按鍵3，鍵值為2，8個二選一開關(guān)的控制端輸出為全0(0x00)，之后按下按鍵6，鍵值為5，8個二選一開關(guān)的控制端輸出就變?yōu)?x02。當(dāng)a=12時，相當(dāng)于隨機故障，也就是產(chǎn)生一個1～8的隨機數(shù)，來確定故障設(shè)置在哪個開關(guān)。故障設(shè)置流程圖如圖9所示。

圖8 FNBPR型故障模擬器電路圖

圖9 故障設(shè)置流程圖

MRR故障模擬器有4個輸入端，4個輸出端。單片機先給這4個輸入端的中的最低位為1，其余為0，然后單片機讀取4個輸出端的值與故障表進行對比，當(dāng)值相等時，就輸出該故障的位置。之后依次高1位的輸出端為1，讀輸出端的值與故障表進行對比。直到輸入端最高位都給過1并判斷完結(jié)果為止。故障判斷流程圖如圖10所示。

圖10 故障判斷流程圖

5 實驗結(jié)果與分析

為了對本文設(shè)計的故障模擬器進行驗證，首先必須建立待測故障模擬器的故障表。FRR故障表如表3所示，F(xiàn)NBPR故障表如表4所示。

表3中的故障位置列：xs-a-0，表示第x個MRR為呆滯0故障。表3中的故障位置列：xs-a-1，表示第x個MRR為呆滯1故障。表4中含義相同。

針對FPR光路由器故障模擬器和FNBPR光路由器故障模擬器的試驗結(jié)果如表5。試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的故障模擬器，故障覆蓋率可以達(dá)到100%。

表3 FRR故障表

表4 FNBPR故障表

表5 MRR故障模擬器FPR與FNBPR模塊測試結(jié)果

6 結(jié)束語

本文建立MRR的故障模型,給出MRR故障模擬器的設(shè)計原理，F(xiàn)PR光路由器故障模擬器和FNBPR光路由器故障模擬器的試驗結(jié)果證明了本文設(shè)計的故障模擬器的有效性。下一步的工作，將采用FPGA設(shè)計故障模擬器，方便修改任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光路由器，最終實現(xiàn)可配置的光路由故障模擬器。