基于LEON3的高可靠体系结构设计关键技术研究

发布时间：2020-07-24 15:01

【摘要】： 本文围绕适用于星载计算机等航天应用的宇航高可靠处理器的设计和验证展开研究。空间辐射环境是宇航高可靠处理器在设计时需要特别考虑的因素。首先,本文对空间辐射环境进行了初步的研究和分析,指出对处理器的行为有重大影响的几种辐射效应,在逻辑上对处理器的影响主要表现在程序数据流(程序运行结果)和程序控制流(指令执行顺序)上,针对这些效应给出了当前主流的宇航高可靠处理器的设计方法学。接着,本文选择其中的单粒子翻转事件(SEU),针对LEON3架构进行了深入的研究,进行了基于COTS的高可靠设计与实现,本文的主要工作和成果有以下几点。 1.基于RTL故障注入的处理器可靠性评估机制RTLFIA和实现。本文提出并设计实现了一种基于RTL故障注入的处理器可靠性评估体系结构RTLFIA和实验平台,该评估平台的特点是:高效和高精度,然后采用该试验平台对LEON3的SEU可靠性进行了分析,得到了LEON3的IU的SEU可靠度。 2.高可靠IU原型(HRIU)。本文根据前面章节的分析结果深入研究了当前主流的基于COTS的体系结构高可靠设计技术,主要包括Hamming码和三模冗余(TMR),并结合特定的应用对三模冗余(TMR)做了一定的改进,提出了BLOCK-TMR,采用这些技术设计实现了高可靠的IU流水部件(HRIU),采用RTLFIA测试了其抗SEU的有效性,并综合分析得到了开销,实验表明HRIU能有效的避免单次出现的SEU对处理器的影响并对多个SEU有较强的监测能力。 3.一种新的控制流故障检测算法KDCFCA。针对SEU对程序控制流有重大影响的事实和在某星载计算机设计和研制中发现的板级控制流故障检测机制的不足,本文给出了片上控制流故障检测模型,然后研究分析了当前存在的控制流检测算法,并做了一定的改进,提出了KDCFCA,经分析其能较好的完成控制流故障的检测。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TP332
【图文】：

论文结构

图 1-1 论文结构分析了 SEU 对处理器的影响。本章研究了基于故障注主流的各种故障注入手段的研究和比较，提出了基于 R体系结构 RTLFIA，并通过在 ModelSim 上实现该框架据流角度研究 SEU 对处理器的影响。本章针对第三章的能采用的可靠性设计手段，做了一定的评估和改进，最（HRIU）。制流角度研究 SEU 对处理器的影响。本章从分析我们算机设计上存在的不足出发，给出了一种片内的控制控础上研究分析了控制流故障检测算法并作了改进，为后体系结构上实现控制流故障检测机制提供指导。结束语，对我们所做的工作做了一定的总结，阐明下一

原理图,原理,触发器,漏极

国防科学技术大学研究生院学位论文设图 2-1(a)中存储单元位线 BL 输出为逻辑 0，即触发器 Q 点为低电平，M1、M4截止而 M2、M3导通。此时一个高能粒子击中触发器中的反偏漏极 pn 结中的一个，如图 2-1(b)中所示的漏极 p+区域。由于电离会产生电子-空穴对，被 pn 结的电场分离，产生一个电流脉冲，空穴流入漏极，由此流入 Q 点。电流脉冲使触发器节点Q 的电容 C 充电，节点 Q 从电流收集到的电荷超过临界电荷 Qcrit，使触发器的输出值发生了翻转。

行为影响,故障树,电流脉冲,漏极

如图 2-1(b)中所示的漏极 p+区域。由于电离会产生电子-空穴对，被 pn 结的电场分离，产生一个电流脉冲，空穴流入漏极，由此流入 Q 点。电流脉冲使触发器节点Q 的电容 C 充电，节点 Q 从电流收集到的电荷超过临界电荷 Qcrit，使触发器的输出值发生了翻转。图 2-1 RAM 的 SEU 出错原理从逻辑上讲，SEU 对微处理器影响的主要对象包括指令、操作数和一些状态控制寄存器等。我们可以用下面的故障树来表示 SEU 对处理器行为的影响过程。

【引证文献】