[논문]HDL을 이용한 고장안전(Fail-Safe) 인터페이스 설계

양성현; 백순흠

HDL을 이용한 고장안전(Fail-Safe) 인터페이스 설계
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본 논문에서는 결함허용(Fault Tolerant) 시스템에 의해 발생된 2진 신호를 고장안전(Fail-Safe) 신호로 변환하는 SFS(Strongly Fail-Safe) 인터페이스를 설계하였다. SFS 특성은 자체검사(Self-Checking) 기법을 근거로 만족할 수 있었으며, 이러한 인터페이스는 개별 부품에 의한 기존의 고장안전 인터페이스 설계와는 달리 집적화 가능성을 보여 주었다. 또한 고장안전 시스템 설계에 대한 정의를 함으로써 새로운 시스템 구현 방법을 제시하였다.

This paper presents the design of strongly fail-safe interface which transform binary signals, generated by fault-tolerant system into fail-safe signals. The strongly fail-safe property is achived by means of self-checking techniques. It can be shown for this interface to be integreated while the conventional fail-safe interface require using discrete components. This paper also presents the new implementation methods by the definitions for fail-safe system.

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문제 정의

반면에 고장 안전 회로는 정상 행위와 결함 행위 양쪽에서 안전과 비안전 상태가 발생하기 때문에 근본적인 결함검출 능력이 없다 따라서 본 연구에서는 결함 검출능력이 부족한 고장 안전 인터페이스 구현 가능성을 분석한다.
본 논문에서는 Carter와 Schneider/)- 제시한 자체 시험 특성 2-레일 검사기를 근거로 비교기를 논한다. [그림 기에서 회로는 코드 입력에 대해서 (C₁, CO)=(O, 1) 또는 (1, 0) 비코드 입력에 대해서 (Cl, CO) =(0, 0) 또는 (1, 1)을 갖는 2개의 출력 선을 갖는다.

가설 설정

3 ii)는 성립된다.(이때 정의 i)은 시스템이 결함검출 능력이 없기 때문에 관계없다) 따라서 시스템은 다중 결함에 대해서 고장 안 전일 것이다. 이것은 1^1 포함되는 결함들의 조합에 대해서도 성립되고 결과적으로 G 는 F*에 대해서 고장 안전이 된다.

제안 방법

그러나 기존의 고장 안전을 위한 해결방법은 VLSI로 구현 불가능하기 때문에 본 논문에서는 고장 안 전 기술과 자체검사(Self-checking)기술을 결합하여 새로운 방법을 다음과 같이 (정의)한다.
따라서 비교기는 정상 동작 동안에 비교기 자체의 물리적 결점 발생 시 오류 발생 지시와 함께 안전 측(Safe Side)으로 동작할 수 있는 고장 안전 특성올 가져야 한다. 본 논문은 정형 시스템인 VHDL올 이용하여 고장 안전(Fail-Safe) 특성 비교기를 설계하였으며, 설계상의 오류를 검증하기 위해서 정형 언어인 VHDL올 이용하여 설계하였다.
본 장에서는 일반적인 NMOS와 CMOS VLSI 회로에 대한 결함 모델을 제시하고 그것들을 이용하여 PLA에 대한 세부적인 결함 모델을 개발한다.
벡터 T에 속하지 않는 벡터(a=c-)가 둥가 검사기를 디스에이블(Disable)하게 하는 반면 벡터 T(a=cJ 는 등가 검사기를 인에이블 한다. 실험을 위해서 가산 기능 중 위에서 정의한 입력 벡터에 대해서만 검사하는 것으로 했으며, 이때 회로는 이 입력 벡터에 대해서만 동일한 기능을 하는 것으로 한다. 아래 VHDL 코드는 검사 기능이 있는 가산기[그림 9]에 대한 코드이며, [그림 10]은 무결함 시의 검사기 웅 답, [그림 11], [그림 12]는 입력 a와 b에서 고착결함 이 발생했을 때의 결과를 보여준다.
이에 반해 VLSI 설계에서 오류 검출 구현을 위해서 논리 연산과 제어선 검사에 알맞은 중복과 부합 (Duplication and Matching) 방법을 이용하여 중복된 기능 회로가 병렬로 그 기능을 수행하고 각 회로 출력을 비교하므로써 오류를 검출한다. 이때 두 개의 회로 중 최소한 하나 이상의 회로에서 결함이 발생한다면 오류는 검출되어 서로 다른 출력을 발생하게 한다.

데이터처리

제안한 검사기를 가산기에 적용했을 경우에 대한 실험이다. 실험을 위한 툴은 ALTERA MAX +PLUS H를 이용하였다.

성능/효과

2) 두 개의 결함 발생 사이에는 충분한 시간이 흐르고, 회로의 동작 모드 동안 회로는 모든 검출 가능한 결함들을 검출할 수 있는 입력 집합에 의해 여기된다.
본 논문에서는 집적회로에서 발생 가능한 결함 형태에 대해 2레일 코드를 이용한 검사기를 비교기에 적용함으로써 단일 결함에 대한 고장 안전(Fail- Safe) 특성을 갖는다는 것을 알 수 있었다. 이러한 비교기는 오류 검출 뿐 아니라 비교기자체 결함 발생시 고장안전 특성을 만족함으로써 기능 모듈 레벨에서 중복과 부합방법을 이용한 오류 검출 수행 시 입출력단의 인터페이스로 활용 가능하다.
위의 실험 결과 설계한 자체검사 특성 검사기는 정의한 입력 벡터에 대해 결함 발생을 검출할 수 있었으며, 검사기 자체에 대한 결함 발생 시 비코드워드 를 발생함으로써 기능 및 회로 자체에 대한 검사기능을 유지하며 고장 안전 특성을 만족할 수 있음을 보여 주었다.
이러한 비교기는 오류 검출 뿐 아니라 비교기자체 결함 발생시 고장안전 특성을 만족함으로써 기능 모듈 레벨에서 중복과 부합방법을 이용한 오류 검출 수행 시 입출력단의 인터페이스로 활용 가능하다. 특히 HDL을 이용한 회로 설계에 의해 자체 시험 특성의 검증과 해석 과정이 매우 간단했고 수정이 용이했으며 이는 마이크로 프로세서와 같은 VLSI 회로상에서 결함 영향을 실질적으로 예측할 수 있는 확실한 방법이었음을 알 수 있었다.

후속연구

본 논문에서는 집적회로에서 발생 가능한 결함 형태에 대해 2레일 코드를 이용한 검사기를 비교기에 적용함으로써 단일 결함에 대한 고장 안전(Fail- Safe) 특성을 갖는다는 것을 알 수 있었다. 이러한 비교기는 오류 검출 뿐 아니라 비교기자체 결함 발생시 고장안전 특성을 만족함으로써 기능 모듈 레벨에서 중복과 부합방법을 이용한 오류 검출 수행 시 입출력단의 인터페이스로 활용 가능하다. 특히 HDL을 이용한 회로 설계에 의해 자체 시험 특성의 검증과 해석 과정이 매우 간단했고 수정이 용이했으며 이는 마이크로 프로세서와 같은 VLSI 회로상에서 결함 영향을 실질적으로 예측할 수 있는 확실한 방법이었음을 알 수 있었다.

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