学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于LEON3的高可靠体系结构设计关键技术研究

作　者: 张波涛
导　师: 刘衡竹
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 宇航高可靠处理器单粒子翻转效应 LEON3 COTS 故障注入Hamming码三模冗余控制流故障检测
分类号: TP332
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 384次
引　用: 5次
阅　读: 论文下载

内容摘要

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。

全文目录

摘要  11-12
ABSTRACT  12-13
第一章绪论  13-17
  1.1 课题背景  13
  1.2 国内外研究现状  13-15
  1.3 课题研究内容  15
  1.4 文章的组织结构  15-17
第二章高可靠处理器设计研究  17-25
  2.1 空间辐射环境和对处理器的影响  17-20
    2.1.1 空间辐射环境  17-18
    2.1.2 空间辐射效应对处理器可靠性的影响  18-20
  2.2 高可靠处理器设计方法学  20-24
    2.2.1 抗辐照材料  21
    2.2.2 Radiation Hardened Design  21-22
    2.2.3 COTS 体系结构高可靠设计技术  22-23
    2.2.4 本文主要解决的问题和采用的设计技术  23-24
  2.3 本章小结  24-25
第三章基于故障注入的可靠性评估技术研究  25-45
  3.1 可靠性评估技术研究  25-27
    3.1.1 可靠性评估分类  25-26
    3.1.2 故障注入技术  26-27
  3.2 基于软件故障注入的可靠性评估研究  27-30
    3.2.1 软件故障注入评估硬件故障的原理  27-28
    3.2.2 软件故障注入评估技术的体系结构  28-29
    3.2.3 当前国内外的主要基于软件的故障注入技术和工具  29
    3.2.4 软件故障注入的优缺点分析  29-30
  3.3 基于硬件故障注入的可靠性评估研究  30-33
    3.3.1 硬件故障注入分类  30-31
    3.3.2 当前国内外主要基于硬件故障注入主要技术和工具  31-32
    3.3.3 硬件故障注入的优缺点分析  32-33
  3.4 基于RTL 故障注入的可靠性评估平台设计  33-40
    3.4.1 基于RTL 故障注入手段  33
    3.4.2 基于RTL 故障注入工作流程  33-34
    3.4.3 基于RTL 故障注入体系结构RTLFIA  34-39
    3.4.4 RTLFIA 的实现方案  39-40
  3.5 基于RTL 故障注入的LEON3 可靠性评估  40-43
    3.5.1 LEON3 主要SEU 敏感单元分析  40
    3.5.2 基于ModelSim LEON3 RTL 故障注入实验平台  40-41
    3.5.3 可靠性评估参数  41-42
    3.5.4 实际评估和评估结果  42-43
  3.6 本章小结  43-45
第四章高可靠处理器的IU 原型设计与实现  45-64
  4.1 LEON3 IU SEU 问题可靠性设计手段研究  45-47
    4.1.1 寄存器文件（regfile）可靠性设计  45-46
    4.1.2 流水线上的锁存器(pipeline latches)可靠性设计  46-47
  4.2 Hamming 码技术研究  47-49
    4.2.1 基本Hamming 码算法  47-49
    4.2.2 扩展Hamming 码算法  49
  4.3 三模冗余技术研究  49-55
    4.3.1 三模冗余技术原理及可靠度分析  49-52
    4.3.2 三模冗余技术的改进：块三模冗余技术  52-55
  4.4 高可靠IU（HRIU）设计与实现  55-63
    4.4.1 HRIU 流水线总体结构  55-57
    4.4.2 Hamming 码在HRIU 中的实现  57-60
    4.4.3 Block-TMR 在HRIU 中的实现  60-61
    4.4.4 可靠性验证和代价分析  61-63
  4.5 本章小结  63-64
第五章高可靠处理器控制流故障检测技术研究  64-79
  5.1 不同耦合下的控制流故障检测模型  64-69
    5.1.1 YHME 星载计算机体系结构  64-66
    5.1.2 一种基于WatchDog 的板级控制流故障检测模型  66-68
    5.1.3 一种片内控制流故障检测模型  68-69
  5.2 基本块理论研究及改进  69-72
    5.2.1 基本块理论  69-71
    5.2.2 改进型基本块理论  71-72
  5.3 控制流故障检测算法的改进  72-77
    5.3.1 原有的控制流故障检测算法  72-73
    5.3.2 KDCFCA 算法  73-77
  5.4 本章小结  77-79
第六章结束语  79-81
致谢  81-82
参考文献  82-85
作者在学期间取得的学术成果  85

基于LEON3的高可靠体系结构设计关键技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文