HVP平台中容错Cache建模及其故障注入

发布时间：2020-07-09 22:17

【摘要】：现如今,随着芯片的集成度和设计规模的不断增大,电子系统的设计和验证工作变得极其繁琐,能够在较高的抽象层次进行快速仿真的虚拟平台可以极大地改善这类问题,在虚拟平台上可以对整个电子系统进行快速的建模,并能够对其进行高效的评估,而Cache(高速缓存)作为电子系统中重要的组成部分,其可靠性会直接影响整个电子系统的正常工作。因此,在虚拟平台层面上对容错Cache进行快速建模,并对Cache的容错策略进行高效快速且经济的验证,具有重要的实践意义。本文选取HVP虚拟平台作为研究平台,研究平台中Cache的结构及工作流程,基于平台灵活可配置的特点,建模了可包含多种容错方法的容错Cache模型,并设计了相应的选择端口,通过配置端口可以选择不同容错方法。通过分析相关研究人员对存储单元辐射实验的结果,针对故障发生频率较高的一位和两位数据翻转情况,以分段的奇偶检验码和汉明码为例,为Cache实现两种具体的容错方法,并可以通过配置端口参数,实现两种容错方法的自由选择。为了能够对平台中的容错Cache进行验证,本文通过分析常见的故障注入方式,结合平台的特点设计了包含三种不同层面的故障注入方法的故障注入平台。其中,分析指令集模拟器生成工具TRAP Generator,生成扩展指令集的指令集模拟器,实现了指令层面的故障注入方法;建立Cache中的用于故障注入的寄存器,通过配置寄存器的不同参数,实现了寄存器层面的故障注入方法;建模Cache的随机故障注入单元,实现了模拟故障注入方法。最后,基于此故障注入平台,分别使用三种故障注入方法,通过设计相应的测试程序,对Cache中的两种容错方法分别进行验证,结果表明了容错Cache功能的正确性。
【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】：2019
【分类号】：TN402;TP333
【图文】：

虚拟平台,产品开发时间,架构设计

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文此出现了虚拟平台的概念，使得传统的串行开发模式低效的缺陷得以改善图 1-1 所示，在虚拟平台上，硬件设计人员可以评估系统架构设计，软件人员可以开发各类应用软件，因此可以协同进行软硬件的开发，使得问题在设计初期暴露出来，这种并行设计不仅减少了产品开发时间，同时极大了芯片成功的概率，较传统设计方法要优越许多。

数据段,示例

组中的 ECC 校验位，从而提高低可靠性时 Cache 的抗故障能力，如何分配组则由操作系统根据可靠性级别自适应地选择。为了简化 ECC 实现，MS-ECC 将高速缓存行划分为多个小段，并基于每个段校正错误，以更精细的粒度执行纠错从而能够以更低的延迟和复杂性修复更多错误。为了进一步降低纠错的逻辑复杂性，选用正交拉丁方阵码，比传统的 ECC 具有更快的编码和解码，代价是更多的校验位。此外，使用模块化纠错硬件，可以自适应地使用它来纠正不同数量的错误，如在性能与 Cache 容量大小密切相关的情况下，可以牺牲错误纠正功能来增加高速缓存大小。图 1-2 展示了此容错 Cache 的示例，将 512 位的Cache 行分为 8 个 64 位的区域，在图（b）读命中时获取 Cache 相应的数据行和 ECC 行，对于 8 个段中的每一个，存在单独的 ECC 解码器，其通过使用来自数据和 ECC 方式的信息并行的进行解码操作，然后将 8 个单独的解码区域连接起来从而获得 512 位的经过纠错的正确的数据。在图（c）写命中时先使用ECC 编码器来获取数据行的 ECC。与 ECC 解码器一样，每个段都有单独的编码器，它们并行执行 ECC 编码然后将新数据写入数据 Cache 行，将新 ECC 写入相应的 ECC Cache 行。

容错系统,工作原理,故障块,奇偶校验码

简单的奇偶校验码（ParityCode）来检测所有数据中的故障，如果干净故障，则奇偶校验码的检查结果将指示 Cache 控制器使故障块无效并存储器层级中获取新的数据副本。当脏块发生故障时，就不能简单的存储器中获取并覆盖脏块，否则会导致脏块中新信息的丢失，因此，人员使用纠一检二编码（Single Error Correcting Double Error DetecDED）来确保脏块的完整性，当奇偶校验码检测到脏数据中的故障DED 代码将对其进行纠正。此容错系统的工作原理如图 1-3 所示，它见的处理步骤：1）当读或写访问命中 Cache 中的块时，奇偶校验检查明被访问的块中是否存在故障，如果块有故障，进入下一步。2）高速器诊断脏位以查看故障块是干净还是脏。3）如果故障块是干净的，则控制器将从下一级存储器层次结构中获取新副本，并用新副本替换故故障块是脏的，控制器将使用 ECC-Cache 中的 ECC 码纠正脏块，然的脏块重写到其原始位置。4）当故障被纠正后，读操作将得到正确的数作将完成其写入，之后，新的奇偶校验码和 ECC 码将被计算并分别写ache 和 ECC-Cache，系统继续工作。

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