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有限状态机的容软错误及低功耗设计

作　者: 曹源
导　师: 梁华国
学　校: 合肥工业大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 有限状态机 Markov链状态概率软错误率低功耗编码
分类号: TP302.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 59次
引　用: 2次
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内容摘要

随着深亚微米工艺的广泛应用,集成电路特征尺寸急剧减小,于此同时,工作电压持续降低,工作频率急剧升高,这一切都使得集成电路对于空间中的中子和封装材料中的α粒子,对电路的轰击异常敏感。显著提高的集成密度和工作频率,也使得电路的功耗不断攀升。因此,对具有容软错误、低功耗等特性的电路设计方案的需求也越来越迫切。本文以有限状态机的容软错误设计和低功耗设计为研究中心,以状态出现的时间概率为切入点,在容错和低功耗方面所做的主要工作如下:(1)在容软错误设计方案方面,以状态机的状态出现时间概率(下文简称为状态概率)为切入点,引入了Markov预测的相关知识,并将有限状态机的状态与Markov链的状态进行了映射,从而能够进一步将状态概率通过Markov链模型计算出来。在计算出有限状态机状态概率的基础上,根据状态概率的不同,依据帕累托法则的原理,选择出高概率状态进行状态备份。此方法,提升了电路对时序逻辑单事件翻转(SEU)的87.6%的防护性能,在降低软错误率的同时,也使得电路面积的额外开销,相对于传统的三模冗余方案,有了明显降低。(2)在低功耗状态机编码方案方面,以状态机的编码方案算法为切入点,并进行了改进。针对传统遗传算法对有限状态机编码收敛速度慢的缺点,提出了结合统计学习思想的分布估计编码算法,并建立了适应度概率模型和学习概率模型。本方案不仅考虑了对功耗的优化,同时也考虑面积的优化和编码的时间优化。经过对MCNC’91电路中13个标准电路的实验,结果表明,与现有的遗传算法相比较,平均减少3%功耗,并且在编码时间上节约了31.6%。(3)在前两种方案的基础上,针对容软错误和低功耗问题,提出一种设计方案。本方案使得设计者能根据具体需求,选择电路工作状态。在容软错误方面,此电路采用状态概率模型,通过加强高概率状态,在概率上降低软错误发生的风险。低功耗方面,在运用低功耗状态编码的基础上,同样以状态机概率为出发点拆分状态机,以达到低功耗的目的。其结果能显著降低电路的功耗开销。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
致谢  8-9
目录  9-13
第一章绪论  13-19
  1.1 概述  13-16
    1.1.1 研究背景  13-14
    1.1.2 容软错误研究现状  14-15
    1.1.3 低功耗研究现状  15-16
  1.2 研究内容，拟解决的关键问题及创新处  16-17
    1.2.1 研究内容  16
    1.2.2 拟解决的关键问题  16-17
    1.2.3 本论文的创新处  17
  1.3 论文结构安排  17-19
第二章 FSM 的容软错误技术  19-33
  2.1 基本概念  19-21
    2.1.1 有限状态机  19-20
    2.1.2 瞬态故障、软错误、SEU 和SET  20
    2.1.3 Markov 预测  20-21
  2.2 传统的容错方法  21-25
    2.2.1 简单的自恢复结构  21-23
    2.2.2 Bypass Pipeline 自恢复结构  23-24
    2.2.3 硬件冗余技术  24-25
  2.3 基于Markov 链的容错设计方案  25-32
    2.3.1 方案概述  25
    2.3.2 模型设计  25-27
    2.3.3 电路结构  27
    2.3.4 试验过程  27-30
    2.3.5 试验结果及方案比较  30-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章 FSM 的低功耗技术  33-43
  3.1 基本概念  33-38
    3.1.1 低功耗的基本概念  33-34
    3.1.2 评价指标  34
    3.1.3 有限状态机的低功耗设计概述  34-36
    3.1.4 分布估计算法简介  36-38
  3.2 基于分布估计算法的低功耗状态编码  38-42
    3.2.1 理论分析  38
    3.2.2 算法方案  38-40
    3.2.3 试验结果  40-41
    3.2.4 方案比较  41-42
  3.3 本章小结  42-43
第四章容错低功耗FSM 拆分的研究  43-47
  4.1 状态机拆分的背景  43
  4.2 低功容错耗拆分方案  43-46
    4.2.1 基本原理  43-44
    4.2.2 方案概述  44-45
    4.2.3 试验结果  45-46
  4.3 本章小结  46-47
第五章总结与展望  47-49
  5.1 主要工作总结  47
  5.2 未来工作展望  47-49
参考文献  49-52
攻读硕士学位期间发表的论文  52-53

有限状态机的容软错误及低功耗设计

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