总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目选择方法与流程

本发明属于胚胎电子细胞阵列技术领域，尤其涉及一种总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目选择方法。

背景技术：

随着航空航天、深海探测等领域的不断发展以及电磁环境的日益复杂，对电子装备的可靠性要求越来越高，传统的基于部件冗余的容错设计存在硬件资源消耗大、冗余备份单元有限等不足。基于此，胚胎电子细胞阵列技术应运而生，胚胎电子细胞阵列是一种基于多细胞生物生长发育过程而设计的一种新型硬件结构，具有类似于生物的自组织、自检测和自修复等能力。

然而目前关于胚胎电子细胞阵列的研究主要在阵列结构设计、自修复方法、故障检测方法及其应用等方面进行，缺少关于胚胎电子细胞阵列内胚胎电子细胞数目选择方法的研究。而胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目选择是工程实际应用过程必须要考虑的问题，电子细胞数目的选择与阵列的硬件资源消耗和阵列可靠性都直接相关，更多的电子细胞可以带来更高的阵列可靠性，但同时也将带来更大的硬件资源消耗。而现有胚胎电子细胞阵列内部电子细胞数目的选择大多凭借经验，缺乏理论支持和指导，不能很好平衡阵列硬件资源消耗和可靠性的关系。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目选择方法，以解决现有胚胎电子细胞阵列内部的电子细胞数目的选择缺乏理论支持和指导，不能很好地平衡阵列硬件资源消耗和可靠性的关系的问题。

本发明实施例提供了一种总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目选择方法，包括：

分析总线胚胎电子细胞阵列的结构和工作特点，采用多态系统理论，建立总线胚胎电子细胞阵列的可靠性分析模型；

以mos管消耗数目为硬件资源消耗的衡量指标，建立总线胚胎电子细胞阵列的硬件资源消耗模型；

根据所述可靠性分析模型和所述硬件资源消耗模型，结合电路设计要求，合理确定总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目。

本发明实施例相对于现有技术所具有的有益效果：本发明实施例分析总线胚胎电子细胞阵列的结构和工作特点，采用多态系统理论，建立总线胚胎电子细胞阵列的可靠性分析模型；以mos管消耗数目为硬件资源消耗的衡量指标，建立总线胚胎电子细胞阵列的硬件资源消耗模型；然后根据所述可靠性分析模型和所述硬件资源消耗模型，结合电路的设计要求，确定总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目，能够合理地选择阵列功能模块内细胞的数目，兼顾阵列的可靠性和硬件资源消耗，从而解决现有技术中胚胎电子细胞阵列内部的电子细胞数目的选择缺乏理论支持和指导，不能很好地平衡阵列硬件资源消耗和可靠性的关系的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目选择方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的循环移除故障自修复策略的流程；

图3是本发明实施例提供的单细胞故障循环移除自修复过程；

图4是本发明实施例提供的建立总线胚胎电子细胞阵列的可靠性分析模型的流程图；

图5是本发明实施例提供的根据所述状态性能概率分布模型建立所述可靠性分析模型的流程图；

图6是本发明实施例提供的计算总线胚胎电子细胞阵列工作过程的可靠度的流程图；

图7是本发明实施例提供的确定功能模块内空闲细胞电子细胞数目的流程图；

图8是本发明实施例提供的功能模块内不同功能模块电子细胞数目选择对应阵列可靠度曲线；

图9是本发明实施例提供的功能模块内不同功能模块电子细胞数目选择对应阵列mttf；

图10是本发明实施例提供的功能模块内不同功能模块电子细胞数目选择对应阵列mos管消耗；

图11是本发明实施例提供的确定功能模块内总的胚胎电子细胞数目的流程图；

图12是本发明实施例提供的功能模块内不同功能模块空闲细胞数目选择对应阵列的可靠度；

图13是本发明实施例提供的功能模块内不同功能模块空闲细胞数目选择对应阵列的mttf；

图14是本发明实施例提供的功能模块内不同功能模块空闲细胞数目选择对应的阵列mos管消耗。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1示出了本发明实施例提供的总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目选择方法的实现流程，详述如下：

步骤s101，分析总线胚胎电子细胞阵列的结构和工作特点，采用多态系统理论，建立总线胚胎电子细胞阵列的可靠性分析模型。

总线胚胎电子细胞阵列包括输入模块、输出模块、功能模块和总线。其中，输入模块完成外部输入信号到胚胎电子细胞阵列的输入；输出模块将胚胎电子细胞阵列的处理结果输出到外部；功能模块是胚胎电子细胞阵列的核心部分，主要完成胚胎电子细胞的具体电路功能；总线作为一种通信方式，包括地址总线、数据总线和控制总线，用于完成各个模块间的信息传递。

功能模块是总线胚胎电子细胞阵列的核心部分，主要完成具体的电路功能。功能模块包括胚胎电子细胞和检测控制模块。所有的胚胎电子细胞均与检测控制模块相连，所有的胚胎电子细胞首尾相连构成环状。其中，胚胎电子细胞分为工作细胞和空闲细胞，工作细胞实现特定的电路功能，空闲细胞用于当功能模块中出现故障时代替故障细胞实现自修复。检测控制模块完成功能模块的故障检测，功能模块内故障自修复的控制实现及功能模块与总线的数据交换。

检测控制模块包括基因配置单元、控制单元、故障检测单元和输入输出单元。其中，基因配置单元采用常用的寄存器型基因存储器存储，主要存储检测控制模块工作过程所需的基因配置信息，包括标志位基因，输出选择基因等。控制单元完成各个细胞的状态控制及自修复的控制实现，主要由状态机完成控制功能。输入输出单元完成功能模块和总线的信号传输，使用数据缓冲器与寄存器进行实现。故障检测单元完成功能模块的故障检测，采用经典的双模冗余方式实现功能模块的实时故障检测，故障检测的对象是每个功能模块的功能。

功能模块内的胚胎电子细胞主要完成具体完的功能电路，与传统的胚胎电子细胞相比，减少了地址模块与故障检测模块。因此，胚胎电子细胞包括基因配置存储单元、功能单元、控制单元和输入输出单元。

其中，基因配置存储单元主要由寄存器型存储构成，主要存储细胞工作过程中需要的功能配置基因和连接关系基因，类似于生物体的dna。功能单元主要由4输入查找表(4-lut)组成，完成胚胎电子细胞的电路功能。控制单元主要根据控制单元的控制信号完成对胚胎电子细胞内各个模块的控制。输入输出单元主要由多路数据选择器构成，主要完成胚胎电子细胞输入输出信号。功能模块内的工作细胞和空闲细胞连接构成细胞环，功能模块内的胚胎电子细胞数目及工作细胞和空闲细胞数目选择，可以根据不同的电路规模灵活的确定。

在总线胚胎电子细胞阵列工作过程中，将复杂的电子系统功能进行分解，分解成为若干简单的子电路功能，将分解后的子电路功能映射到各个功能模块中，由各个功能模块实现所有的子电路功能，所有的功能模块通过总线进行连接。当输入模块将输入信号传输到阵列后，阵列开始工作，通过总线的分时复用实现各个功能模块间信息的传递，最后电路工作的结果由输出模块进行输出。

当某个功能模块出现故障时，功能模块可以实时检测到功能出现故障，这相对于传统胚胎电子细胞内故障检测方法的故障覆盖率更高，且硬件资源消耗更少。当功能模块的故障检测模块发现故障后就启动功能模块内部的自修复功能，利用冗余的空闲胚胎电子细胞代替故障胚胎电子细胞执行其相应的功能，移除故障胚胎电子细胞完成故障的自修复，从而保证整个功能模块正常工作，进一步保证整个胚胎电子细胞阵列正常工作。

在总线胚胎电子细胞阵列中，分解后的电路功能由各个功能模块实现。故障检测的检测对象为功能模块的功能，可以实现功能模块功能的实时状态监测，将故障准确地定位到每个功能模块中。功能模块作为一个独立的功能单元，功能模块内的细胞构成链状的细胞环结构，所以在总线胚胎电子细胞阵列中采用循环移除自修复策略。

图2所示为循环移除故障自修复策略的基本流程，图中w代表功能模块中整个胚胎电子细胞环中最后一个工作细胞的位置，t表示功能模块中工作细胞基因配置信息的最大可移动次数，功能模块中工作细胞的基因配置信息每移动一位表示移动一次。g代表完成修复的循环次数，初始值为0，所有工作细胞的基因配置信息均向后移动一位表示完成一次循环，功能模块的循环移除故障自修复策略的步骤为：

第一步，功能模块的故障检测单元对功能模块的功能进行实时检测，并将检测的结果(即故障检测信号)传递给控制单元，控制单元根据故障检测单元的检测信号对胚胎电子细胞的工作状态进行控制。若故障检测信号显示不存在故障，则功能模块正常工作，若检测信号显示功能模块的功能出现故障，表明功能模块中某个工作细胞出现了故障，控制单元就将启动功能模块的故障自修复功能。

第二步，功能模块启动自修复功能后，首先细胞w的备份基因配置信息后移一位，移动到细胞w+1中，细胞w此时变为“透明”状态，仅充当导线作用，细胞w的基因配置信息在细胞w+1中重新进行配置和表达，此时细胞w+1代替细胞w完成其功能。检查此时功能模块的工作状态，若功能模块功能正常表示自修复成功，若功能模块仍处于故障状态，细胞w变为空闲状态，细胞w-1的备份基因配置信息移动到细胞w中，细胞w-1变为空闲状态，细胞w-1的基因配置信息在细胞w中重新进行配置和表达，此时细胞w代替细胞w-1完成其功能。检查此时功能模块的工作状态，若功能模块功能恢复正常表示自修复成功，若功能模块仍处于故障状态，按照第二步继续循环下去。

第三步，功能模块中所有工作细胞的基因配置信息都向后移动一位表示完成一次修复循环，此时执行g＝g+1，若功能模块正常工作，则停止循环移除自修复，否者开始从工作细胞w+g开始新的一轮移除自修复过程。重复第二步，直到功能模块的故障被修复，或者达到细胞的最大可移动次数t。此时如果功能的正常恢复正常，表示自修复成功，否则表示功能模块的自修复失败，功能模块无法修复出现的故障，阵列完全失效。

参见图3，以单细胞故障的自修复为例，当功能模块的功能出现故障时(此时并不知道具体的故障细胞位置)，功能模块启动循环移除自修复功能。首先细胞5的备份基因配置信息向后移动一位，在新的细胞中进行基因的配置和表达，代替细胞5的功能，细胞5的位置变为透明状态。此时功能仍不正常，说明细胞5无故障，细胞5变为空闲细胞。以同样的步骤开始移动细胞4的备份基因配置信息，移动到细胞5中进行配置和表达，代替细胞4的功能，此时细胞4变为透明状态。如果此时功能模块的功能仍不正常，说明细胞4正常，细胞4变为空闲细胞。移动细胞3的备份基因配置信息至细胞4，在细胞4中配置表达，代替细胞3的功能，当细胞3变为透明状态时，功能模块功能正常，表明细胞3故障，故障自修复完成。

总线胚胎电子细胞阵列主要由功能模块与总线构成，各个功能模块独立完成各自的功能，同时功能模块的故障检测单元的设计思想是基于功能模块功能的双模冗余，实现对功能模块功能的实时故障检测。这种故障检测方法能够有效的减少胚胎电子细胞阵列故障检测的硬件资源消耗，同时能够提高故障覆盖率。当功能模块的功能出现故障时，故障检测单元就能立即检测到功能模块的功能异常，控制单元立即启动自修复功能。胚胎电子细胞阵列中所有的功能模块通过总线连接在一起，利用总线强大的通信能力完成各个功能模块间的信息传递，阵列中所有的功能模块配合完成特定的电路功能。只有阵列中每个功能模块都正常工作，整个阵列才能完成特定的电路功能，因此整个阵列可以近似为一个由功能模块组成的串联系统。

在总线胚胎电子细胞阵列中功能模块内的工作细胞与空闲细胞构成一个细胞环，功能模块的工作原理是：首先将需要实现的电路功能分化到每个功能模块，每个功能模块执行确定的电路功能，然后将功能模块的功能分化到胚胎电子细胞中。当功能模块的功能分化到每个细胞后，需要执行功能的细胞称为工作细胞；无具体功能的细胞为空闲细胞，作为工作细胞的备份细胞，当工作细胞出现故障时，用于替代故障的工作细胞完成其功能。功能模块的功能分化完成后，假设完成功能模块功能需要b个工作细胞，功能模块内共存在a个电子细胞(a>b)，此时a个电子细胞都可以作为工作细胞，在a中任意选择b个细胞作为工作细胞就可以完成电路功能。当功能模块中一个细胞发生故障时，此时功能模块内可正常工作的电子细胞变为a-1个，此时只要在a-1个电子细胞中选择b个作为工作细胞即可完成电路功能；当阵列中发生j次故障后，阵列中可正常工作的电子细胞变为a-j，若a-j≥b，功能模块仍可以完成电路功能；若a-j<b，功能模块不可完成其电路功能，因为阵列是由多个功能模块组成的串联系统，所以此时阵列也将不能正常工作。

在功能模块的工作过程中，在功能模块中可正常工作电子细胞数目大于完成功能模块功能所需要的电子细胞数目，功能模块就可以正常工作，但是在这个过程中，功能模块根据功能模块内可正常工作的电子细胞的数目不同，也存在多个工作状态。基于此，为了根据功能模块工作过程的多种工作状态来更加透彻的分析总线胚胎电子细胞阵列的性能，采用多态系统理论，对总线胚胎电子细胞阵列工作过程的可靠性进行建模分析。

多态系统主要分为多工作(或失效)状态系统和多性能水平系统，其中多工作(或失效)状态系统是指系统除了“正常工作”和“完全失效”两种状态外，还具有多种工作(或失效)状态。

多态系统中一些部件失效或者性能衰退会导致系统部分失效或系统性能下降，从而引起整个系统呈现出多种工作(或失效)状态或性能水平。多态系统理论能准确的定义部件的多态性，能够透彻地分析部件性能的变化对系统性能和可靠性的影响，以及系统失效的渐变过程，因此在复杂系统可靠性分析和优化设计领域有广阔的应用前景。

本文提出的总线胚胎电子细胞阵列就是一个系统，而功能模块相当于系统中的部件，在工作过程中，若功能模块内出现故障，由于功能模块内存在空闲细胞可以用于自修复，仍能保证功能模块正常工作，但是功能模块的状态相当于最初已经发生了变化，但是阵列仍可以正常工作状态，所以在阵列正常工作过程中，因为功能模块具有多种工作状态，从而总线胚胎电子细胞阵列也就具有了多种状态，所以本文提出的总线胚胎电子细胞阵列属于多工作状态的多态系统，故可以借助于多态系统理论对本文的总线胚胎电子细胞阵列的可靠性进行透彻的分析。

参见图4，一个实施例中，所述建立总线胚胎电子细胞阵列的可靠性分析模型包括：

步骤s201，根据通用生成函数(ugf)，建立总线胚胎电子细胞阵列中的功能模块在工作过程中的状态性能概率分布模型。

其中，所述状态性能概率分布模型为：

其中，wi(x,t)为部件i在t时刻处于状态x的概率，x为部件i的状态；表示所述功能模块在状态为ki时的状态概率，表示胚胎细胞在状态为ki时的状态性能，i＝1,2,…,n，n表示所述功能模块的个数，ki＝1,2,…,mi，mi为功能模块i的状态个数；

所述通用生成函数为：

其中，表示系统的状态性能。

根据系统的内部功能模块连接结构特点，当为和之间的最小值时，定义φ1运算符为：

当为和的和时，定义φ2运算符为：

步骤s202，根据所述状态性能概率分布模型建立所述可靠性分析模型。

参见图5，一个实施例中，步骤s202可以通过以下过程实现：

步骤s301，根据所述状态性能概率分布模型，并结合多态系统的最小任务性能需求，计算总线胚胎电子细胞阵列工作过程的可靠度。

本实施例中，总线胚胎电子细胞阵列工作过程的任务可靠度可以为：

其中，q为所述多态系统的最小任务性能需求，为示性函数，当时，当时，

参见图6，一个实施例中，所述计算总线胚胎电子细胞阵列工作过程的可靠度可以包括：

步骤s401，计算总线胚胎电子细胞阵列工作过程的状态集。

本实施例中，对于总线胚胎电子细胞阵列而言，假设总线胚胎电子细胞阵列中功能模块的个数为s，所述功能模块内工作的细胞数为k，总的细胞数为m。单一功能模块可划分为m-k+1个状态，如表1所示。

表1功能模块的状态及对应的概率

则各个功能模块的状态包括状态0、状态1、状态xi(0≤i≤m-k+1)和状态m-k+1。

其中，状态0表示故障状态，即可正常工作胚胎电子细胞数小于k；状态1表示正常工作的胚胎电子细胞个数为k，功能模块刚好能正常工作；状态xi表示正常工作的胚胎电子细胞个数为xi+k-1，状态m-k+1表示所有功能模块的胚胎电子细胞阵列均能够正常工作。

步骤s402，根据所述状态集计算总线胚胎电子细胞阵列中各个所述功能模块处于不同工作状态的概率。

其中，假设每个细胞的失效率为λ，则每个细胞的可靠度为e^-λt，所以功能模块各个状态对应的概率计算如下。

状态0即功能模块内可正常工作的胚胎电子细胞数目小于k，则功能模块内可以正常工作的电子细胞数目为0，1，2，…，k-1。每个细胞正常工作的概率为e^-λt，对应的不能正常概率为1-e^-λt，当功能模块内可正常工作数为0时，即功能模块内所有的胚胎电子细胞全都故障，则对应的概率为当功能模块内可正常工作的胚胎电子细胞数目为1时，存在的可能为种方式，胚胎电子细胞正常工作的概率为e^-λt，所以功能模块内可正常工作电子细胞数目为1的概率为同理可知当功能模块内可正常工作电子细胞数目为k-1时，存在的可能为种方式，则功能模块内可正常工作电子细胞数目为k-1的概率为则状态0对应的功能模块的概率为

状态1即功能模块内可正常工作的胚胎电子细胞数目刚好为k，这样就存在种可能的方式，k个胚胎电子细胞正常工作的概率为e^-kλt，剩下m-k个胚胎电子细胞故障的概率为(1-e^-λt)^m-k，则状态1对应的功能模块的概率为

状态xi即功能模块内可正常工作的胚胎电子细胞数目刚好为k+x-1，这样就存在种可能的方式，k+x-1个胚胎电子细胞正常工作的概率为e^-(k+x-1)λt，剩下m-k-x+1个胚胎电子细胞故障的概率为(1-e^-λt)^m-k-x+1，则状态xi对应的功能模块的概率为

状态m-k+1即功能模块内所有的胚胎电子细胞均可正常工作，这样就存在种可能的方式，m个胚胎电子细胞正常工作的概率为e^-mλt，则状态m-k+1对应的功能模块的概率为

步骤s403，根据各个所述功能模块处于不同工作状态的概率，计算整个总线胚胎电子细胞阵列的任务可靠度。

为简化计算的复杂性，假设每个功能模块的工作细胞数，总的细胞数，细胞的失效率均相同，则所有功能模块的状态数和各个状态对应的概率分布均相同。对一含有s个功能模块的总线胚胎电子细胞阵列，各个功能模块间以串联的形式工作。每个功能模块均有m-k+1个状态，则每个功能模块具有的状态可表示为各个状态对应的概率可表示为其中1≤i≤s，则整个总线胚胎电子细胞阵列的可靠性计算过程如下：

1.计算整个总线胚胎电子细胞的状态集，记为

2.计算阵列中各个状态对应的概率，记为

3.要保证整个胚胎电子细胞阵列正常工作，则每个功能模块必须正常工作，因为定义各个功能模块内刚好正常工作的状态为1，所以要保证整个总线胚胎电子细胞阵列正常工作，则必须保证阵列对应的状态x≥1，则整个阵列正常工作的概率记为pa＝∑p(x≥1)，即阵列各个大于0的状态对应的概率之和。因此，整个总线胚胎电子细胞阵列对应的可靠度为ra(t)＝pa。

步骤s302，根据平均故障时间，并结合所述总线胚胎电子细胞阵列工作过程的可靠度，建立总线胚胎电子细胞阵列的可靠性分析模型。

本实施例中，由于可靠度的本质是概率，为了更加直观的衡量阵列工作过程的任务可靠性，从时间角度给出明确的评价指标，基于所述总线胚胎电子细胞阵列工作过程的任务可靠度，故采用平均故障时间(mttf，meantimetofailure，)来衡量系统可靠性，所述可靠性分析模型可以为：

步骤s102，以mos管消耗数目作为硬件资源消耗的评价指标，建立总线胚胎电子细胞阵列的硬件资源消耗模型。

一个实施例中，所述阵列硬件资源消耗模型为：

其中，clw为总线胚胎电子细胞阵列中功能模块内的工作细胞数目，clk为功能模块内的空闲细胞数目；hc为一个胚胎电子细胞的硬件资源消耗，hld为线胚胎电子细胞阵列中的检测控制模块的硬件资源消耗，s为总线胚胎电子细胞阵列中的功能模块的个数。

具体的，所述功能模块内包括胚胎电子细胞和检测控制模块。所述胚胎电子细胞包括基因存储单元、输入输出单元、功能单元和控制单元，依据前述胚胎电子细胞结构设计对各个单元的硬件资源消耗进行分析。采用集成电路中最基本的单元mos管数目作为硬件资源消耗的指标。

功能模块内胚胎电子细胞中的基因存储单元存储工作基因信息和备份基因信息，设存储基因信息的宽度为l，即每个基因有l位信息。对于寄存器型基因存储，寄存器是一些触发器的集合，寄存器型基因存储使用d触发器存储基因信息。每位基因信息使用一个d触发器，典型的上升沿触发d触发器需要24个mos管，则所述基因存储单元的硬件资源消耗为hc1＝2×l×24。

输入输出单元中主要硬件消耗主要是输入单元，输入单元需要完成胚胎电子细胞输入信号的选择即功能单元输入的选择，每个功能单元的输入端前需要1个多选1数据选择器，每个胚胎电子细胞需要4个多选1数据选择器，根据功能模块的输入和功能模块内胚胎电子细胞数目的不同，选择不同规模的数据选择器。多路数据选择器主要包括4选1、8选1、16选1、32选1和64选1。一个4输入1输出的数据选择器资源消耗为32个mos管，一个8输入1输出的数据选择器需要3个4输入1输出的数据选择器，所以一个8输入1输出的数据选择器的硬件资源消耗为96个mos管；一个16输入1输出的数据选择器需要5个4输入1输出的数据选择器，所以一个16输入1输出的数据选择器的硬件资源消耗为160个mos管；一个32输入1输出的数据选择器需要10个4输入1输出的数据选择器，所以一个32输入1输出的数据选择器的硬件资源消耗为320个mos管；一个64输入1输出的数据选择器需要20个4输入1输出的数据选择器，所以一个64输入1输出的数据选择器的硬件资源消耗为640个mos管。

假设功能模块输入的个数为ml位，功能模块中胚胎电子细胞数目为clw+clk，由胚胎电子细胞结构设计可知，多路选择器的选择主要由功能模块的输入和胚胎电子细胞数目决定，则输入输出单元的硬件资源消耗为：

功能单元主要由4输入的查找表(4-lut)组成，其本质是一个具有4位地址线的16×1的ram，以sram进行分析，根据文献[10]关于sram存储器mos管消耗的分析，可知1个4-lut需要消耗的mos管数目为178个。控制单元主要完成根据细胞状态信号控制细胞的工作，硬件资源消耗相对基因存储可近似忽略不计。

总线胚胎电子细胞阵列中每个胚胎电子细胞的硬件资源消耗为hc＝l×48+hcio+178。因为每个功能模块中包括clw+clk个胚胎电子细胞，所以每个功能模块中所有胚胎电子细胞的硬件资源消耗为hsumc＝hc×(clw+clk)＝(l×48+hcio+178)×(clw+clk)。

所述检测控制模块包括故障检测单元、控制单元、输入输出单元和基因存储单元，根据检测控制模块结构设计对各个单元进行硬件资源消耗。

对于故障检测单元，假设功能模块实现的电路功能为m1位输入n1位输出的电路，则需要存储实际的输出共m1×n1位信息，每个输出端需要n1个2输入的xor门，1个n1输入的or门。一个2输入xor门需要22个mos管，1个n1输入的or门需要由n1-1个2输入的or组成，一个2输入的or门需要6个mos管，则所述故障检测单元的硬件资源消耗为：

hd1＝m1×n1×24+m1×(n1×22+(n1-1)×6)＝52×m1×n1-6×m1。

对于基因存储单元主要存储输入标志位信息、输出标志位信息及输出选择控制信息。假设输入标志位为m1位，输出标志位为m2位，标志位的位数与阵列功能模块的数目相关，功能模块数目越多，标志位越长，标志位的宽度为表示向上取整。输出选择控制信息与输出个数有关，对于有n1个输出的电路，每个输出信号都是在功能模块中胚胎电子细胞的输出信号和功能模块的输入信号中进行选择，所以共需要位。所述基因存储单元的硬件资源消耗为：

输入输出单元主要由寄存器与数据缓冲器构成，输入寄存器与输出寄存器的大小与需要传输的数据位数相关，数据缓冲器的数目与总线的位数相同，设总线宽度为s。总线包括地址总线、数据总线和控制总线。地址总线宽度为数据总线宽度为s1和控制总线宽度为5。一位非反向数据缓冲器由4个mos管组成，所述输入输出单元的硬件资源消耗为：

控制单元主要根据功能模块内各个细胞此时的工作状态及工作状态决定下一时刻各个细胞的状态，本文以状态机实现状态控制功能，状态机主要的硬件消耗为状态信息的存储，根据本文的自修复方法，状态机需要存储(clw+clk)×clw个clw+clk位的状态信息，所述控制单元的硬件资源消耗为：

hd4＝(clw+clk)²×clw×24。

检测控制模块的硬件资源消耗可近似为：

则每个所述功能模块的硬件资源消耗为：

总线胚胎电子细胞阵列的硬件资源消耗为：

步骤s103，针对电路的设计要求，根据所述可靠性分析模型和所述硬件资源消耗模型，合理确定总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目。

其中，所述确定总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目包括：确定功能模块内空闲细胞电子细胞数目和功能模块内总的胚胎电子细胞数目。

参见图7，一个实施例中，所述确定总线胚胎电子细胞阵列中功能模块内总的胚胎电子细胞数目可以包括：

步骤s501，确定总线胚胎电子细胞阵列的规模、所述功能模块内空闲细胞与工作细胞比例以及总线胚胎电子细胞阵列的可靠性或硬件资源消耗条件。

步骤s502，根据所确定的总线胚胎电子细胞阵列的规模、所述功能模块内空闲细胞与工作细胞比例以及总线胚胎电子细胞阵列的可靠性或硬件资源消耗条件，选取不同功能模块内胚胎电子细胞的数目，并计算总线胚胎电子细胞阵列的可靠性和硬件资源消耗。

步骤s503，根据功能模块内不同电子细胞数目对应的可靠性与硬件资源消耗，结合总线胚胎电子细胞阵列的设计要求，确定功能模块内的胚胎电子细胞数目。

其中，若只要求可靠性大于某一个值，则此时选择满足可靠性要求硬件资源消耗最小的细胞数目；若只要求硬件资源小于某一个值，则此时选择满足硬件资源消耗要求可靠性最大的细胞数目；若对可靠性和硬件资源同时进行要求，则此时可以在满足设计条件的区间内任意选择一个细胞数目。

以下通过仿真实验对本发明实施例进行进一步说明。

选取模糊控制器基于总线胚胎电子细胞阵列结构进行实验，实现该功能电路共需要48个工作细胞，分别研究以下三种设计条件下阵列中功能模块内电子细胞数目的选择。

条件1：总线胚胎电子细胞阵列的mos管消耗数目小于500000个。

条件2：总线胚胎电子细胞阵列的mttf大于3500h。

条件3：总线胚胎电子细胞阵列的mttf大于4000h，且mos管消耗数目小于500000。

为简化研究复杂度，做出如下假设：

1.功能模块内的工作细胞和空闲细胞之比为2:1保持恒定(存在功能模块数向上取整的情况除外)；

2.所有的功能模块内的电子细胞数目相同；

3.每个电子细胞的失效率均为λ＝6×10^-5/h。

为了对三种设计要求下阵列功能模块内的电子细胞数目进行选择，由上文的电子细胞数目选择方法可知，需要首先计算不同功能模块内电子细胞数目对应的阵列可靠性和硬件资源消耗。分别选择功能模块内胚胎电子细胞数目为3、6、9、12、15、18、21、24、27和30，则对应的功能模块数目分别为24、12、8、6、5、4、4、3、3和3，功能模块内检测控制模块中基因配置单元中标志位分别为5、4、3、3、3、2、2、2、2和2，阵列总线数据的宽度为8位，每个功能模块的输入均为8，即m1＝8，输出为功能模块内工作细胞的数目，但考虑到总线的宽度，最多为8位，即n1＝2、4、6、8、8、8、8、8、8和8。胚胎电子细胞内的基因为34位，对应的总线宽度分别为20、19、18、18、18、17、17、17、17和17位。

不同功能模块内胚胎电子细胞数目对应的阵列的可靠度曲线如图8所示，阵列mttf如图9所示，具体数值如表2所示。

表2功能模块内不同电子细胞数目选择对应阵列mttf

如图8所示，图中cell代表功能模块内电子细胞的数目，随着时间的增加，阵列的可靠度不断开始下降，在功能模块内工作细胞与空闲细胞比例相同时，功能模块内电子细胞数目越多，阵列的可靠度随时间下降的速率越慢，这是因为随着功能模块内电子细胞的增加，每个功能模块内的空闲细胞数目就增加了，每个功能模块可修复的次数增加了，且每个功能模块内电子细胞数目越多，阵列的功能模块就越少，因为阵列的功能模块是组成串联系统，所有的功能模块都正常工作阵列才能正常工作，所以功能模块数目越少，每个功能模块内空闲细胞越多的阵列可靠度随时间下降越慢。且随着功能模块内电子细胞数目的增加，阵列的可靠度曲线越来越接近，这是因为当功能模块中电子细胞数目从3增加到30的过程中，功能模块的数目减少量从12到4再到最后为0，且功能模块内电子细胞每增加3个空闲细胞只增加1个，所以当细胞数目较小时，随着电子细胞数目的增加，功能模块数目减少很多，因为阵列中的功能模块组成串联系统，所以随着功能模块内电子细胞数目的增加，阵列的可靠度曲线前期间隔较大，随着功能模块内电子细胞数目的增加，可靠度曲线间的间隔越来越小。

图8中当cell＝15与cell＝18，cell＝21与cell＝24及cell＝27与cell＝30这三组可靠性曲线间隔很小，这是因为而当cell＝18时，功能模块内共有12个工作细胞，阵列刚好有4个功能模块，而当cell＝15时，功能模块内共有10个工作细胞，阵列共有5个功能模块，其中共有4个完整的功能模块，第5个功能模块中只需8个工作细胞，此时第5个功能模块有7个空闲细胞，所以提高了阵列的可靠度，从而与cell＝18是可靠度接近。同理当cell＝21与cell＝24，cell＝27与cell＝30这两组可靠度的可靠度曲线也很接近。

由图9和表2所示，随着功能模块内电子细胞数目的增加，阵列的mttf也随之增加，但是增长的速率开始下降，这是因为随着功能模块内电子细胞数目的增加，每个功能模块内的空闲细胞数目也在增加，功能模块可进行的自修复次数也在增加，同时阵列的功能模块数目在不断下降，且阵列是由各个功能模块组成的串联系统，所以随着功能模块内电子细胞数目的增加，阵列的mttf不断增加，同时因为功能模块中每增加3个电子细胞，只增加一个空闲细胞，而阵列功能模块数目先减少12个，再减少4个，到保持不变，所以随着功能模块内电子细胞数目的增加，阵列的mttf增加越来越缓慢。当电子细胞数目为15与18，21与24，27与30这三组情况时，阵列的mttf很接近。以功能模块内电子细胞为别为27和30为例，当功能模块内电子细胞为27时，共需3个功能模块，其中两个功能模块中空闲细胞数为9，剩下一个功能模块中空闲细胞数为15，而当功能模块内电子细胞数为30时，同样需要3个功能模块，其中两个功能模块空闲细胞数为10。剩下一个功能模块中空闲细胞数为22。因为两种情况功能模块数目一致，且功能模块内空闲细胞数只差1个，所以两中情况的mttf相差很小，同理当功能模块内电子细胞数目为15与18，21与24时，阵列的mttf也相差很小。

不同功能模块内胚胎电子细胞数目对应的阵列硬件资源消耗(mos管数目消耗)如图10所示，具体数值如表3所示。

表3不同功能模块内电子细胞对应阵列mos管消耗

由图10和表3可知，随着功能模块内电子细胞数目的增加，阵列的mos管消耗数目不断增加，且增加的速率不断增加。这是因为在总线胚胎电子细胞阵列中，当工作阵列规模确定后，整个阵列的规模也就确定了。当功能模块内电子细胞数目不同时，总线胚胎电子细胞阵列中胚胎电子细胞所产生的硬件资源消耗均相同，硬件资源的不同主要是功能模块内检测控制单元不同造成的。随着功能模块内电子细胞数目增加，功能模块的数目不断减少，但功能模块内控制单元的硬件资源消耗成立方的倍数增加，而开始功能模块的数目减少的数目为12、4、2、1和0，因为开始功能模块数目减少较大，所以开始阵列的硬件资源消耗增加较慢，当功能模块内电子细胞数目大于15时，功能模块的数目几乎不变，所以阵列的硬件资源消耗增长速率快。图中当电子细胞数为18和21时，功能模块相同，所以此时的增长速率突然加快，而当功能模块内电子细胞数目为21时，功能模块个数为4，而当电子细胞数目为24时，功能模块个数为3，所以此时的增长速率较电子数目从18增长到21要慢，当功能模块内电子细胞数目24、27和30时，功能模块均为3，所以硬件资源消耗增长速率又加快，且呈线性增长。

条件1要求总线胚胎电子细胞阵列的mos管消耗数目小于500000个，由图9与表3可知，满足条件的功能模块内电子细胞数量为3、6、9、12和15；由图8与表2可知，当电子细胞从3到15，阵列的mttf不断增加，所以此时选择阵列mttf最大的，即选择功能模块内电子细胞数目为15时最优。

条件2要求总线胚胎电子细胞阵列的mttf大于3500h，由图9与表2可知，当功能模块内电子细胞数目为9及以上时均可满足条件；由图10与表3可知当功能模块内电子细胞数目大于等于9时，阵列的mos管消耗数目不断增加，所以此时应当选择阵列mos管消耗数目最少的，即此时选择功能模块内电子细胞数目为9时最优。

条件3要求总线胚胎电子细胞阵列的mttf大于4000h，且mos管消耗数目小于500000个。由图9、图10、表2和表3的数据可知，当功能模块内电子细胞数目为3、6、9、12和15时，阵列mos管消耗数目小于500000个，当功能模块内电子细胞数目为12及以上时，阵列的mttf大于4000h。综合两项要求此时满足要求的功能模块内电子细胞数目为12或15，此时选择功能模块内电子细胞数目为12或者15均可。

参见图11，基于总线胚胎电子细胞阵列的可靠性模型和硬件资源消耗模型基础上，制定一定约束条件，确定总线胚胎电子细胞阵列中功能模块内空闲细胞数量包括：

步骤s601，确定阵列的规模、功能模块内空闲细胞与工作细胞比例及阵列需要满足的可靠性或硬件资源消耗条件。

步骤s602，根据确定的电路规模，选取不同功能模块内胚胎电子细胞的数目，计算阵列的可靠性和硬件资源消耗。

其中，对于功能模块内分别选取不同的空闲细胞数目，根据建立的可靠性模型和硬件资源消耗模型分别计算不同空闲细胞数量情况下阵列的可靠性和硬件资源消耗。

步骤s603，根据阵列的设计要求，结合功能模块内不同电子细胞数目对应的可靠性与硬件资源消耗，按照设计要求确定最合适的功能模块内的胚胎电子细胞数目。

具体的，可以根据功能电路的设计要求，对比功能内选择不同空闲细胞情况下阵列的可靠性和硬件资源消耗，按照设计要求选择最合理的功能模块内空闲细胞数目，同时兼顾阵列的可靠性和硬件资源消耗。若只要求总线胚胎电子细胞阵列的可靠性大于某一个值，则此时选择满足可靠性要求硬件资源消耗最小的功能模块内空闲细胞数目；若只要求总线胚胎电子细胞阵列的硬件资源消耗小于某一个值，则此时选择满足硬件资源消耗要求可靠性最大的功能模块内空闲细胞数目；若对总线胚胎电子细胞阵列的可靠性和硬件资源消耗同时进行要求，则此时可以在满足设计条件的区间内任意选择一个功能模块内空闲细胞数目。

以下通过仿真实验，对总线胚胎电子细胞阵列中功能模块内空闲细胞数量选择方法进行进一步说明。

假设一胚胎电子细胞阵列规模为48个工作细胞，每个功能模块内共9个胚胎电子细胞，分别研究以下三种设计条件下功能模块类电子细胞数目的选择：

条件1：总线胚胎电子细胞阵列的mos管消耗数目小于400000个。

条件2：总线胚胎电子细胞阵列的mttf大于3500h。

条件3：总线胚胎电子细胞阵列的mttf大于5000h，且mos管消耗数目小于400000。

为了简化计算复杂程度，假设每个功能模块内电子细胞数目都相同，且工作细胞与空闲细胞数目比例也相同，每个细胞的失效率均相同为λ＝6×10^(-5)。设功能模块内空闲细胞数量为i，则9>i>0。分别选取i＝1、2、3、4、5、6、7和8，则对应的功能模块的个数分别g＝6、7、8、10、12、16、24和48。不同空闲细胞数目情况下，阵列的可靠度曲线如图12示，阵列的mttf曲线如图13示，对应的mttf值如表4所示。

表4功能模块内不同空闲细胞数目选择阵列的mttf

图12为选取不同功能模块内的空闲细胞，总线胚胎电子细胞阵列的可靠度随时间的变化曲线，随着时间的增加，阵列的可靠度不断下降，且当功能模块内空闲细胞选择不同时，阵列的可靠度曲线也不同，功能模块内空闲细胞越多，阵列的可靠度曲线下降越慢，随着功能模块内空闲细胞的增加，选择不同功能模块内空闲细胞对应的阵列可靠度曲线间的距离也在增加。已知阵列的工作细胞一定，图中fcell代表功能模块内空闲细胞的个数，随着功能模块内fcell增加，整个阵列内的空闲细胞不断增加，当阵列中出现故障时，可自修复的次数就更多，所以随着功能模块内fcell增加，阵列的可靠度随时间下降更为缓慢。同时当功能模块内fcell从1增加到8过程中，阵列中的空闲细胞数目分别为6、9、24、42、60、96、168和384，阵列间空闲细胞的数目差越来越大，即阵列可自修复的次数相差越来越大，所以随着功能模块内fcell的增加，阵列的可靠度曲线间隔越来越大。

图13与表4为功能模块内选择不同的空闲细胞所构成阵列的mttf，随着阵列中功能模块内的空闲细胞数目的增加，阵列的mttf不断增加，且增加的速率不断增加。已知阵列的工作细胞一定，随着每个功能模块内的fcell数目不断增加，需要的功能模块的个数也就在增加，且每个功能模块内的空闲细胞相同，所以整个阵列的空闲细胞在不断增加，从而阵列的可自修复次数就增加了，所以阵列的mttf不断增加，且当功能模块内fcell从1增加到8过程中，阵列中的空闲细胞数目分别为6、9、24、42、60、96、168和384，阵列间空闲细胞的数目差就越来越大，即阵列可自修复的次数相差越来越大，所以随着功能模块内fcell的增加，阵列的mttf增长速率不断增加。

胚胎电子细胞阵列共有48个工作细胞，每个功能模块内的电子细胞数目为9个，功能模块内的空闲细胞分别为i＝1、2、3、4、5、6、7和8，所以功能模块的个数分别为g＝6、7、8、10、12、16、24和48，总线的宽度分别为18、18、18、19、19、19、20和22，总线数据的宽度为8位，则功能模块的输入m＝8，功能模块的输出与总线内工作细胞的个数相关，但考虑到总线数据位的宽度，所以n＝8、7、6、5、4、3、2和1。不同功能模块内空闲细胞数目对应的阵列的mos管消耗数目如图14示，具体的mos管消耗如表5所示。

表5功能模块内不同空闲细胞数目选择阵列的mos管消耗

图14表5为阵列中功能模块内选择不同的空闲细胞数目，对应的阵列mos管消耗数目变化，随着功能模块内空闲细胞数目的不断增加，阵列的mos管消耗数目也不断增加，且增加的速率不断增加。功能模块中的胚胎电子细胞结构都相同，消耗的mos管数量也一致，且每个功能模块内的电子细胞数目固定，随着功能模块内空闲细胞数目的增加，功能模块内检测控制模块的mos管消耗会有一定的减少，但是减少的数目不大，相对于功能模块消耗的mos管数目可近似不计，每个功能模块的mos管消耗数目基本一致，所以随着功能模块内的空闲细胞从1增加到8，阵列包含的功能模块数目分别为6、7、8、10、12、16、24和48，由阵列包含的功能模块数目可知，随着功能模块内空闲细胞数目的增加，阵列消耗的mos管数目不断增加，且增加的速率越来越快。

在功能模块内选择不同的空闲细胞数目情况下，分别分析了对应的总线胚胎电子细胞阵列的可靠性和硬件资源消耗的基础上，根据电路的设计要求可以选择最合适的功能模块内空闲细胞的数目。

条件1要求总线胚胎电子细胞阵列的mos管消耗数目小于400000个，由图14表5可知，要求阵列的mos管消耗数目小于400000个，则功能模块内空闲细胞的数目应小于6；同时由图13表4可知，随着功能模块内空闲细胞数目的增加，阵列的mttf不断增加，且增加速率不断变大，所以此时选择功能模块内空闲细胞的数目为5，可以获得最大的阵列mttf。

条件2要求总线胚胎电子细胞阵列的mttf大于3500h，由图13表4可知，要使阵列的mttf大于3500h，阵列中功能模块内的空闲细胞数目应该大于2，由图14表5可知，随着功能模块内的空闲细胞数目增加，阵列的mos管消耗数目也不断增加，且增加的速率越来越快，mos管的消耗数目即阵列的硬件资源消耗。所以此时选择功能模块内的空闲细胞数目为3，可以在满足设计要求的情况下，消耗最少的mos管，即硬件资源消耗最少。

条件3要求总线胚胎电子细胞阵列的mttf大于5000h，且mos管消耗数目小于350000。由图13表4可知，要是阵列的mttf大于5000h，阵列中功能模块内空闲细胞的数目应大于3；由图14表5可知，要满足阵列的mos管消耗数目小于400000个，阵列中功能模块内的空闲细胞数目应小于6，综合阵列的mttf和阵列的硬件资源消耗设计要求，此时阵列中功能模块内的空闲细胞数目应处于3至6之间，此时可以选择功能模块内的空闲细胞数目为4或者5均可以满足设计要求。

上述总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目选择方法，分析总线胚胎电子细胞阵列的结构和工作特点，采用多态系统理论，建立总线胚胎电子细胞阵列的可靠性分析模型；以mos管消耗数目作为阵列的硬件资源消耗评价指标，建立总线胚胎电子细胞阵列的硬件资源消耗模型；然后结合电路的设计要求，根据所述可靠性分析模型和所述硬件资源消耗模型，确定总线胚胎电子细胞阵列中电子细胞数目，能够合理地选择阵列功能模块内细胞的数目，兼顾阵列的可靠性和硬件资源消耗，从而解决现有技术中胚胎电子细胞阵列内部的电子细胞数目的选择依靠经验，不能很好地平衡阵列硬件资源消耗和可靠性的关系的问题。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。