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基于JTAG的CPU故障注入工具的设计与实现

作　者: 罗宗扬
导　师: 杨孝宗
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 容错系统可靠性评估故障注入 JTAG调试硬件调试模式
分类号: TP332
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着互联网和移动互联网的迅速发展,计算机系统的应用逐渐扩展到军事、金融、通信、航空、宇航、企业管理、教育、能源等关乎国计民生的各行各业,计算机系统的可靠性越来越受到关注。故障注入法作为一种迅速、实时、方便的可靠性评测方法,被广泛的应用于容错计算机可靠性评测研究中。故障注入按照注入层次不同可分为软件故障注入、软件模拟硬件故障注入、硬件故障注入等类别。传统的软件故障注入和软件模拟硬件故障注入由于受到操作系统保护机制的限制,部分在实际中可能出现的底层故障无法被注入到待评测系统中。针对这种局限,本文设计并实现了一种基于JTAG调试技术的硬件故障注入工具,实验证明,使用该工具可以突破操作系统保护进行硬件级故障注入。首先,当目标系统处于正常运行状态时,通过设置断点、设置观察点、发送调试请求等方式使目标系统在硬件层次中止当前运行,进入硬件调试模式。其次,通过对基于总线的扫描链的移位操作插入目标系统CPU本身的指令,并在硬件调试模式下单步执行这些指令,对系统内部的总线数据、寄存器数据、存储器数据进行修改。最后,通过JTAG复位等方式使目标系统返回正常工作模式。在这个过程中,完成了对总线数据、寄存器数据、内存数据的修改。由于硬件调试模式下的操作突破了操作系统的保护,操作系统并未意识到系统内部数据已经被改变。在返回正常运行模式后,操作系统会继续执行原来任务,这样就达到了故障注入的目的。实验结果表明利用本文实现的故障注入工具可以突破操作系统保护,有效的进行故障注入。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-18
  1.1 课题背景  8-9
    1.1.1 课题来源  8
    1.1.2 课题的目的与意义  8-9
  1.2 容错技术、可靠性评测与故障注入技术  9-12
    1.2.1 容错技术  9-10
    1.2.2 故障注入技术  10-11
    1.2.3 可靠性评测  11-12
  1.3 硬件调试技术  12-15
    1.3.1 ICE 调试技术  12-13
    1.3.2 JTAG 调试技术  13-15
  1.4 国内外研究现状  15-17
  1.5 本文研究的主要内容及文章结构  17-18
第2章故障注入整体方案设计  18-31
  2.1 JTAG 规范  18-20
  2.2 ARM9EJ-S 调试架构  20-28
    2.2.1 JTAG 调试接口扩展  21-23
    2.2.2 Embedded ICE-RT 单元  23-28
  2.3 故障注入方案设计  28-30
    2.3.1 故障注入整体方案  28
    2.3.2 故障注入工具结构  28-29
    2.3.3 故障类型及故障表现  29-30
  2.4 本章小结  30-31
第3章故障注入工具设计与实现  31-45
  3.1 硬件故障注入器  31-38
    3.1.1 硬件电路设计  31-32
    3.1.2 协议转换逻辑  32-36
    3.1.3 故障注入指令  36-38
  3.2 故障注入软件  38-44
    3.2.1 硬件设备控制子模块  39-40
    3.2.2 JTAG 设备检测子模块  40
    3.2.3 USB 通信控制子模块  40-41
    3.2.4 断点设置子模块  41-42
    3.2.5 故障注入子模块  42-44
  3.3 本章小结  44-45
第4章故障注入实验及结果分析  45-53
  4.1 协议转换逻辑仿真实验  45-48
    4.1.1 实验环境  45
    4.1.2 实验步骤  45
    4.1.3 实验结果及分析  45-48
  4.2 故障注入实验  48-52
    4.2.1 实验环境  48-49
    4.2.2 实验步骤  49-50
    4.2.3 实验结果及分析  50-52
  4.3 本章小结  52-53
结论  53-55
参考文献  55-60
攻读硕士学位期间发表的论文  60-62
致谢  62

基于JTAG的CPU故障注入工具的设计与实现

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