一种软硬件结合的控制流错误检测和恢复技术研究

发布时间：2017-06-02 08:00

  本文关键词：一种软硬件结合的控制流错误检测和恢复技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着半导体制造工艺的不断发展和进步,集成电路的特征尺寸也不断减小,这使得芯片的集成度和性能都得到了大幅度的提升,但由此带来的一项重要影响是芯片对电磁干扰和粒子辐射等环境越来越敏感,计算机系统的可靠性问题也因为硬件的瞬时故障而日趋严重,尤其是在比较恶劣的工业和太空辐射环境中工作的各种嵌入式计算机系统。硬件瞬时故障会对程序的正确运行产生影响,造成的程序运行时错误被称为软错误,而软错误中大部分是控制流错误,即指令码或数据的改变导致程序的运行轨迹和原来的逻辑产生了偏差,最终使得系统崩溃或运行结果出错。因此如何有效、及时地对控制流错误进行检测和恢复成为了嵌入式安全领域一个重要的研究方向。当前已经有许多基于硬件或软件的容错技术,但基于硬件的技术往往带来设计复杂度过高、制造成本大幅提升等问题,而基于软件的技术一般会带来代码空间膨胀、系统性能下降、错误覆盖率偏低等问题。因此,本文提出了一种软硬件结合的控制流错误检测和恢复技术：软件方面,通过改造编译工具链,使其在编译程序时对程序静态分析进行签名；硬件方面,在不改变其他模块的前提下,通过对CPU模块进行简单的扩展使其支持动态的签名校验和错误恢复。除了提出具体的软硬件容错方案,本文也针对方案中的难点详细介绍了软件方面的编译工具链的设计实现。最后,本文在国产嵌入式CPU CSKY-CPU平台上进行相应的实验,对硬件仿真数据、编译后的代码密度、运行时性能开销以及错误覆盖率等实验数据进行了评估和分析。实验数据证明,本文提出的方案具有软硬件开销小、错误覆盖率高的优势。
【关键词】：瞬时错误 控制流错误 错误检测 错误恢复 工具链 CSKY-CPU
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN405
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-16
• 1.1 课题研究背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.2.1 基于工艺的防护技术12
• 1.2.2 基于硬件的检错技术12-13
• 1.2.3 基于软件的检错技术13
• 1.3 本文研究内容13-15
• 1.4 论文组织结构15
• 1.5 本章小结15-16
• 2 传统软件容错技术概述16-33
• 2.1 控制流图说明16-18
• 2.2 软错误对系统的影响及模型构建18-26
• 2.2.1 软错误对系统的影响19-24
• 2.2.2 控制流错误模型介绍24-26
• 2.3 软件容错技术26-31
• 2.3.1 软件错误检测技术介绍26-30
• 2.3.2 软件错误恢复技术介绍30-31
• 2.4 本章小结31-33
• 3 软硬件结合的容错方案设计33-54
• 3.1 控制流错误检测方案设计33-46
• 3.1.1 CPU体系结构相关扩展34-38
• 3.1.2 控制流错误检测流程38-39
• 3.1.3 基本块独立链划分技术39-44
• 3.1.4 非签名/签名区跳转的错误覆盖44-45
• 3.1.5 编译器静态计算签名流程45-46
• 3.2 颗粒度模式错误检测方案46-49
• 3.2.1 基本块间的签名关联性改进46-48
• 3.2.2 颗粒度模式检错方案48-49
• 3.3 控制流错误恢复方案设计49-53
• 3.3.1 现场保护策略49-51
• 3.3.2 错误恢复策略51-53
• 3.4 本章小结53-54
• 4 工具链实现54-60
• 4.1 GNU工具链简介54-55
• 4.2 GCC编译器部分实现55-57
• 4.3 GAS汇编器部分实现57-58
• 4.4 LD链接器部分实现58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 5 实验结果及分析60-65
• 5.1 检错方案实验结果及分析60-62
• 5.1.1 硬件及代码开销实验60-61
• 5.1.2 检错率实验61-62
• 5.2 错误恢复方案实验结果与分析62-64
• 5.2.1 硬件及代码开销实验62-63
• 5.2.2 错误恢复率实验63-64
• 5.3 本章小结64-65
• 6 总结与展望65-66
• 参考文献66-69
• 攻读硕士学位期间主要研究成果69

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