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星载处理器流水线的BIST设计与实现

作　者: 陈小保
导　师: 邢座程
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 七级流水线 LEON3 整数部件内建自测试(BIST) 多输入特征寄存器(MISR) 故障覆盖率
分类号: TN407
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

空间辐射环境下,星载微处理器中的半导体器件易发生单粒子效应,导致微处理器发生故障,严重影响航天器或卫星的可靠性和寿命。当星载微处理器系统发生故障后,如何在多核处理器中判断故障、定位故障、剔除故障,需要一种低成本、高效率的方法予以实现。作为学校预研项目“恶劣环境下星载处理器系统技术研究”的子课题之一,本文深入研究了BIST(内建自测试)的机理,在理论推导和建立模型的基础上,总结出基于处理器流水线的BIST方法,实现了器件开销和故障覆盖上的折中。在modelsim模拟器中进行故障注入来验证BIST的正确性,并通过理论计算评估BIST设计代价以及故障覆盖率。论文的研究成果包括以下几点:一、在初步分析当今星载微处理器技术的基础上,针对其高可靠性的要求,深入研究了BIST理论,结合二者的特征,提出了基于处理器流水线的BIST设计策略。二、结合LENO3现有的流水线实现技术,创造性的提出了基于流水线的BIST设计,综合考虑效率和代价之后,实现了流水线上BIST的嵌套使用,大大降低了BIST的开销。三、深入研究、分析了LEON3的源程序,直接在LEON3的源程序中用VHDL描述了此BIST设计,并用ModelSim完成了加入BIST后的LEON3仿真,用Synplify完成了加入BIST后的LEON3综合。四、研究系统逻辑与内建自测试逻辑的融合,在系统原有结构中融入内建自测试逻辑,实现内建自测试逻辑与系统逻辑(本处指除内建自测试逻辑以外的其它逻辑)尽可能完美的结合,通过软故障的模拟和注入,完全实现了故障检测、故障区分、故障定位等工作。五、通过理论计算和代价分析,在消耗资源不多的情况下,当微处理器发生故障时其可测试率达到了99%以上。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-12
第一章绪论  12-17
  §1.1 课题研究背景  12
  §1.2 课题研究现状  12-15
  §1.3 课题研究内容  15-16
  §1.4 论文结构  16-17
第二章内建自测试技术  17-29
  §2.1 内建自测试定义和特点  17-18
  §2.2 系统中的故障和故障模型  18-20
    2.2.1 故障的种类和特征  18
    2.2.2 故障模型  18-20
  §2.3 BIST测试矢量生成  20-27
    2.3.1 测试矢量生成方法  21
    2.3.2 穷举与伪穷举测试矢量生成  21-23
    2.3.3 伪随机测试矢量生成——LFSR(线性反馈移位寄存器)  23-26
    2.3.4 BIST测试响应的压缩SAR(特征分析器)  26-27
  §2.4 结构自测试电路的结构  27-28
  §2.5 微处理器中的内建自测试系统  28
  §2.6 本章小结  28-29
第三章星载处理器流水线内建自测试系统的总体设计  29-40
  §3.1 SPARC V8系统结构  29-34
    3.1.1 SPARC V8的特点和组成  29-30
    3.1.2 SPARC V8的实现——LEON3  30-31
    3.1.3 整数处理单元(IU)——七级流水线  31-34
  §3.2 测试要求与测试目标  34
  §3.3 流水线中内建自测试的总体设计  34-39
    3.3.1 流水线中内建自测试的设计划分及其过程  34-37
    3.3.2 内建自测试的运行过程及自测试结果的形成  37
    3.3.3 BIST的启动和控制机制  37-39
  §3.4 本章小结  39-40
第四章星载处理器流水线各段内建自测试的设计与实现  40-63
  §4.1 一般内建自测试模型和电路实现  40-43
  §4.2 Fetch段内建自测试的设计与实现  43-50
    4.2.1 Fetch段分析  43-45
    4.2.2 Fetch段的BIST设计  45-47
    4.2.3 Fetch段的BIST实现与与验证  47-50
  §4.3 Decode段内建自测试的设计与实现  50-57
    4.3.1 Decode段分析  50-53
    4.3.2 Decode段BIST设计  53-54
    4.3.3 Decode段BIST实现与验证  54-57
  §4.4 流水线其他各段内建自测试的设计与实现  57-61
    4.4.1 流水线其他各段简单分析  57
    4.4.2 流水线其他各段BIST设计、实现与验证  57-61
  §4.5 加入BIST后的LEON3综合  61-62
  §4.6 本章小结  62-63
第五章故障覆盖率及实现代价计算和分析  63-69
  §5.1 加入BIST后的LEON3测试  63-65
    5.1.1 固定故障测试  63-64
    5.1.2 随机故障测试  64-65
  §5.2 故障覆盖率计算  65-67
  §5.3 流水线实现BIST的代价分析  67-68
  §5.4 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  71-73
作者在学期间取得的学术成果  73

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