冗余系统是为了为增加系统的可靠性，采取两套或两套以上相同、相对独立配置的设计。采取两套同样配置的独立硬件、软件或设计等，可以做到在其中一套系统出现故障时，另一套系统能立即启动，代替工作。冗余系统因为前期投入巨大，后期的维护成本高，所以只有在高风险(包括金融风险、行政风险、管理风险以及危及生命安全的风险)行业应用比较广泛，如：金融领域、核安全领域、航空领域、煤矿等领域。

而对于工业界，特别是现在的工业物联网时代，极大部分的公司实现了自动化生产，控制系统的自动化以及安全稳定性对公司的生产经营具有极大的影响，甚至影响到社会经济的发展，因此控制内核的处理器冗余系统开发变得非常重要。

MicroCore实验室目前在开发超小型，基于微定序器的嵌入式处理器内核具有非常多的经验，其处理器内核可以在任何FPGA或ASIC技术中实现。他们最近实现了基于Artix-7 以 MCL51 为内核的同步模块冗余系统应用，着实让业界眼前一亮。

基于Artix-7的四核(MCL51内核)同步模块化冗余系统：

在今年6月，MicroCore实验室将四个兼容8051微处理器核的MCL51处理器集成到售价$99的Avnet/Digilent Xilinx Arty 开发板上，该开发板基于Xilinx Artix-7 35T FPGA，具有同时驱动打印、音乐、显示、铃声等多功能的能力(详情参考 http://xilinx.eetrend.com/news/10248 )。而就在本周，MicroCor-e使用这个基于Artix-7 35T FPGA的四核开发板实现了一个多模块同步冗余系统。该系统具有探测大量软件错误，以及及时重启进行修复的功能。每个处理器核模块具有独立的阈值逻辑，可以独立检测错误，使得失效模块可以自动关闭甚至是重启。而且完全实现完整的4核结构只消耗700μsec。(从 Microcore app note[http://nebula.wsimg.com/0ee78ba5d125bb06faea0d625e2d9124?AccessKeyId=858... ]可以获得更多的技术细节。)

当然，MicroCore也给出了一个演示视频，在视频中，甚至考虑到该板卡出现严重输入错误的情况，而视频中很清晰的展现了该板卡的“自愈”能力。

四核的8051处理器仅仅占用了1227个Artix-7 LUT资源，只是Artix-7 35T FPGA可编程逻辑的很小一部分。并且在之前的视频演示中，四个例子完美适配基于 Artix-7 A35T FPGA的Avnet/Digilent Xilinx Arty 开发板。此外，这个板卡的价格也是非常具有竞争力的。因为在购买板卡的同时，赠送价值 $2995的Xilinx Vivado HL Design版本的使用权(仅限于该板卡使用)。

冗余系统优点与缺点

一般来说冗余系统目的在于：为了保险起见，采取两套同样独立配置的硬件、软件或设计等，防止在其中一套系统出现故障时，另一套系统能立即启动，代替工作，这就好比演员的替身。一套单独的系统也许运行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改变内部设计的情况下，这套系统的可靠性立即可以大幅度提高。假如单独系统的故障率为50%，而采取冗余系统后马上可以将故障率降低到25%。

冗余系统的优点在于：

一、以现有的系统为依托，不需要任何时间或科研投入，可以立即实现；

二、配置、安装、使用简单，无需额外的培训、设计等；

三、使用冗余系统，理论上来讲，系统的故障率可以接近为零。

冗余系统的缺点在于：

一、使用冗余系统就代表该系统臃肿，不简洁；

二：投入成本巨大，需要购买额外的系统，以及增加该系统后的后期维护成本等；

三、完全独立的系统并不存在，所以冗余系统最大的缺点在于，相互独立的配置之间会互相影响（尤其是依靠人的冗余系统），可靠性相对理论计算会大幅度下降。

冗余系统应用

冗余系统因为前期投入巨大，后期的维护成本高，所以只有在高风险（包括金融风险、行政风险、管理风险以及危及生命安全的风险）行业应用比较广泛，如：金融领域、核安全领域、航空领域、煤矿等领域。

银行中的数据非常重要，即使服务器小概率的故障，也会有很大影响，甚至会影响一个国家的金融体系的稳定。所以，每一个银行的数据至少同时存在两个以上的不同地点的服务器中（这就是一个简单的冗余系统），需要明白的是这个跟备份不一样，备份可以是先存储，再备份，而银行系统的冗余系统是同时更改，以保证在任意时间，任意一个服务器的故障，都不会引起数据失真。

航空领域的飞机，因为单次飞机事故造成的死亡率高，死亡人数多，所以冗余系统在飞机上也有很好的应用，如果一个飞机需要两个发动机可以正常启用的话，那这个飞机可能需要至少四个发动机，除去安全系数的考虑外，这里面就有冗余系统的理念，以保证一两个发动机的故障，不会引起飞机失事，而造成重大的事故。这里可以看出冗余系统的一个很重要的缺点：就是发动机的故障并不是独立的，可能其中一个发动机着火的话，会引起其他发动机的故障，所以这个可靠性会比理论计算的少很多。

生活中，也有比较常见的冗余系统，如运货的重卡，在卡车载重的后轮胎上，任意一个轴承上的一边至少有两个轮胎，其实仅需要一个轮胎，重卡就可以正常运行，另外一个轮胎就是冗余系统了。

冗余系统不一定非要是软件类的系统或机械类的设备，也可以是人（广义上来说人也是系统的一部分），但用人来当冗余系统的话，可靠性会更低，因为人的判断更易受外界因素的干扰。

Artix-7 A35T FPGA：

Artix-7是赛灵思28nn FPGA系列之一，它采用采用小型化封装、统一的 Virtex 系列架构，Artix-7 FPGA其核心优势在于高达6.6Gb/s的收发器速度以及最高 DSP 带宽，可连接USB3.0等高速传输设备。目前在低成本超声波、可编程逻辑控制器、软件定义无线电、多协议机器视觉相机等领域应用的非常广泛。对于要求DSP-逻辑混合、增强视频和图像质量并实现波形处理等功能的开发者这款FPGA具有非常大的吸引力。

而本次基于Artix-7 A35T FPGA的应用只占用了很小的编程逻辑却实现了四个处理器同步作用的功能，用户使用“分而治之”的设计理念来搭建嵌入式系统，从而设计变得非常简洁。使用该FPGA实现了功能和设计的双赢。

总结：

MicroCore实验室开发的多核同步处理器冗余系统，极大程度的发现在器件使用过程中产生的不可避免问题，甚至是极为严重的输入错误。同时互不干扰的四核处理器给板卡提供一个非常安全稳定的运行环境。基于Artix-7的器件又在一个新的领域实现了极高价值。相信在Xilinx公司的FPGA广泛应用下，各类器件板卡乃至工业物联网各项控制系统也会具有越来越强的“自愈”能力!

Artix-7 系列 ：相对于 Spartan-6 系列而言，Artix-7 系列功耗降低了一半， 成本降低了35%，采用小型化封装、统一的 Virtex 系列架构，能满足低成本大批量市场的性能要求，这也正是此前 ASSP、ASIC 和低成本 FPGA 所针对的市场领域。TL-A7HSAD是一款由广州创龙基于Xilinx Artix-7系列FPGA自主研发的高速数据采集卡，完全支持PCI Express 2.0标准，提供工业级高速数据传输PCIe x2接口，串行高速输入输出SRIO总线通过HDMI接口提供稳定、可靠的高速传输能力。TL-A7HSAD采集卡包含一个双通道250MSPS*12Bit的高速高精度ADC及一个175MSPS*12Bit 高速高精度DAC，配备高性能的Xilinx Artix-7系列FPGA可进行高速数据转换和时序控制，可配套创龙TMS320C6655、TMS320C6657、TMS320C6678开发板使用，采集卡尺寸为200mm*106.65mm。

Artix-7硬件参数

CPU：Xilinx Artix-7 XC7A35/50/75/100T FPGA

RAM：256Mbit NOR FLASH

ROM：2x 128M/256MByte DDR3

EEPROM：2Kbit

网络：1x Ethernet，10/100/1000M自适应

LED：2x 供电指示灯、3x 可编程指示灯

按键：2x 复位按键（FULL RESET、PROGRAM RESET）、2x 用户可编程按键

ADC：双通道，1.8Vp-p，12bit，最高250MHz采样率，LVDS信号输出

DAC：175MHz，12bit，最大输出电流5mA

XADC：双通道，12bit，1MHz，1.25Vp-p

拓展IO：1x SRIO TX，1x SRIO RX，2通道，单通道最高速率5GBaud，HDMI座；1x PCIe 4x(Gen2)，2通道，单通道最高通信速率5GBaud；2x 48pin欧式连接器，GPIO拓展；1x I2C，HDMI座

仿真器接口：1x 14pin JTAG接口，间距2.00mm

启动方式：1x 2bit启动方式选择拨码开关

串口：1x UART，Micro USB接口，提供4针TTL电平测试端口

电源开关：1x 电源拨码开关

电源接口：1x 12V 2A直流输入DC417电源接口，外径4.4mm，内径1.65mm

Artix-7主要特点

双通道250MSPS*12Bit高速高精度ADC，一路175MSPS*12Bit高速高精度DAC，满足多种数据采集需求；

支持PCI Express 2.0标准，提供PCIe x2高速数据传输接口，单通道通信速率可高达5GBaud；

FPGA芯片XC7A35/50/75/100T可选，DDR3-1333 256MB/512MB可选，NOR FLASH 256Mb，可根据开发需求自由搭配，成本可控；

支持千兆高速网口及I2C等常见接口，拓展能力强；

提供板卡原理图和丰富的开发例程，入门简单。