流水线与寄存器堆抗单粒子翻转加固研究与设计

发布时间：2020-05-25 09:53

【摘要】：半导体工艺的进步使得集成电路面积更小、速度更快,然而这也同样造成对辐射的影响变得更加敏感。更小的晶体管尺寸、更高的集成度、更低的电源电压和更高的工作频率,都让工作在空间环境中的集成电路更容易受到单粒子效应的影响,尤其是处理器。单粒子翻转效应通过引起程序中错误的跳转以及改变存储器(例如数据和程序存储器与寄存器)中的数据影响程序的执行,导致系统的错误。如何在有限的开销下减少辐射效应对处理器带来的影响,这对于高可靠性要求的空间应用来说是迫切需要解决的问题。为了确定处理器中易受单粒子翻转影响的区域,选择Open RISC 1200处理器搭建软硬件平台,在未加固情况下使用故障注入工具进行软错误敏感性分析。基于软错误敏感区域,比较处理器常用的软硬件加固技术,提出“硬件检错,软件纠错”的软硬件结合加固方法,充分利用软硬件加固各自的优势。采用本文提出的加固方法,分别对处理器中易受单粒子翻转效应影响的流水线和寄存器堆进行加固。对流水线寄存器使用双模冗余检错,软件控制流水线重启纠错。对比传统三模冗余加固方式,抗单粒子翻转能力近似,但面积与功耗开销可以降低约三分之一。对寄存器堆采用改进的二维奇偶校验编码加固,能有效纠正多位翻转产生的错误。对比传统二维矩阵码,在检纠错能力近似的情况下冗余位更少、码率更高。虽然纠错时间增加,但在较低的翻转概率下对系统的影响很小。
【图文】：

图 3-8 流水线错误检测图 3-9 是进入异常过程。在异常处理模块中包含一个状态机，控制处理器进入异常，包含 6 种状态，，默认情况下状态（state）为 0。有信号触发异常时，发出flushpipe 信号清空流水线，持续 5 个周期，状态机状态由 0 变为 1。freeze 模块发出流水线暂停信号，暂停取指以及 PC 的增加，直到④处才开始从异常处理程序入口重新进行取值，⑤处即为取出的指令。从接收到异常信号，到取出第一条异常处理程序指令，进入异常状态共花费 8 个时钟周期。

图 3-8 流水线错误检测图 3-9 是进入异常过程。在异常处理模块中包含一个状态机，控制处理器进入异常，包含 6 种状态，默认情况下状态（state）为 0。有信号触发异常时，发出flushpipe 信号清空流水线，持续 5 个周期，状态机状态由 0 变为 1。freeze 模块发出流水线暂停信号，暂停取指以及 PC 的增加，直到④处才开始从异常处理程序入口重新进行取值，⑤处即为取出的指令。从接收到异常信号，到取出第一条异常处理程序指令，进入异常状态共花费 8 个时钟周期。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP332

【参考文献】

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本文编号：2679972