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航空高可靠处理器容错设计与实现

作　者: 包斌
导　师: 穆长富
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 空间辐射 SEU 高可靠处理器故障率整数部件 Cache系统 Leon3
分类号: TP332
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 233次
引　用: 1次
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内容摘要

本文主要围绕适用于星载计算机的宇航高可靠微处理器的设计和实现展开。空间辐射环境是宇航高可靠微处理器在设计时需要特别考虑的因素。本文研究了符合SPARC V8标准的Leon3微处理器体系结构,并在其基础上就单粒子翻转效应(SEU)对微处理器进行容错保护设计,使微处理器能避免一定量级的SEU错误。在modelsim模拟器中进行故障注入来验证容错设计的正确性,并构建FPGA平台来评估容错设计代价以及兼容性。论文的研究成果包括以下几点:一.对空间辐射环境进行了初步的研究和分析,总结了对处理器行为有重大影响的几种辐射效应。在Leon 3架构基础上针对SEU的影响,提出了高可靠处理器容错体系结构设计策略。二.结合Leon 3现有的流水线实现技术,讨论了寄存器文件的容错机制,提出多种设计策略。综合考虑性能和代价之后,实现了基于汉明码的高可靠、低代价的寄存器文件容错设计。三.根据Cache系统的情况,提出了基于循环码校验的数据重载策略,实现了用循环码来检测Cache中的错误并通过数据重载更新错误数据的高可靠Cache控制器。四.通过体系结构容错设计,在消耗资源不多的情况下,使微处理器的故障率从0.46错误/设备-天降低到4.7788E-9错误/设备-天。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-16
  1.1 课题研究背景  12-13
  1.2 课题研究现状  13-15
    1.2.1 国外研究现状  13-14
    1.2.2 国内研究现状  14-15
  1.3 课题研究内容  15
  1.4 论文结构  15-16
第二章高可靠微处理器设计  16-33
  2.1 空间辐射环境及对微处理器的影响  16-23
    2.1.1 空间辐射环境  16-17
    2.1.2 空间辐射的影响  17-23
  2.2 SPARC V8系统结构  23-26
    2.2.1 SPARC V8的特点和组成  23-25
    2.2.2 SPARC V8的实现—Leon3  25-26
  2.3 高可靠处理器设计  26-32
    2.3.1 普通处理器的单粒子翻转概率  26-28
    2.3.2 高可靠处理器的单粒子翻转概率  28-31
    2.3.3 高可靠处理器抗单粒子性能  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章高可靠处理器整数部件设计与实现  33-49
  3.1 整数处理单元  33-37
    3.1.1 七级流水线  33-35
    3.1.2 寄存器文件  35-37
  3.2 高可靠整数处理单元  37-48
    3.2.1 汉明码技术研究  37-39
    3.2.2 高可靠整数部件设计  39-42
    3.2.3 高可靠整数部件实现和验证  42-48
  3.3 本章小结  48-49
第四章高可靠处理器Cache系统设计与实现  49-63
  4.1 Leon3 Cache系统  49-54
    4.1.1 微处理器的存储系统结构  49-51
    4.1.2 指令Cache设计  51-52
    4.1.3 数据Cache设计  52-54
  4.2 高可靠Cache系统  54-62
    4.2.1 循环校验码技术研究  54-56
    4.2.2 高可靠Cache系统设计  56-58
    4.2.3 高可靠Cache系统实现和验证  58-62
  4.3 本章小结  62-63
第五章高可靠处理器FPGA验证  63-69
  5.1 FPGA验证平台  63-65
    5.1.1 FPGA验证硬件平台  63-65
    5.1.2 FPGA验证软件平台  65
  5.2 高可靠处理器验证  65-68
  5.3 本章小结  68-69
第六章结束语  69-70
  6.1 全文工作总结  69
  6.2 进一步工作展望  69-70
致谢  70-71
参考文献  71-74
作者在学期间取得的学术成果  74

航空高可靠处理器容错设计与实现

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