SPARC微处理器在线故障检测技术

摘要

空间环境中存在大量的高能粒子，这些高能粒子使工作在太空中的处理器遭受各种辐射效应，影响其功能，甚至会烧毁器件，造成空间设备的某些功能模块失效，带来不可预计的后果。航天应用的处理器架构有两种，一种是美国使用的POWERPC，另一种是欧洲主导的SPRAC架构，由于中国与美国的战略关系，国内研制星载处理器的单位多采用具有开源优势的SPRAC架构，所以研究SPARC微处理器在线故障检测技术，提高其可靠性，对加速应用于航天领域的微处理器研制进程，有效打破国外对我国的航天技术封锁，提高我国航天设备的水平具有重要的理论和实践意义。
　　论文首先探讨了空间辐射效应对微处理器的影响，调研了国内外的在线故障检测技术，讨论了基于SPARC体系的LEON3软核的内部结构，搭建了基于LEON3的SoC系统测试平台。确定了故障模型，对基准电路LGSynth91使用编码预测方式进行在线检测故障，基于修改VHDL代码的注入方式进行故障注入，对奇偶码和分割奇偶编码两种编码的故障检测率进行了对比，分析结果表明分割奇偶编码的检测率高于奇偶码。
　　其次修改LEON3软核源代码，将整数单元按照流水线的各阶段功能分解成七部分，采用预测编码方式分别实现各部分组合电路和时序电路在线故障检测，通过冻结流水线方式实现瞬态故障修复，效果十分明显，并将在线检测技术的SoC系统在FPGA开发板上实现验证。对寄存器文件、指令Cache以及数据Cache采用ECC编码实现在线加固，当Cache存储体发生不可纠正故障时重新从主存中取数更新Cache进行修复。
　　最后针对SPARC处理器永久故障的修复方法进行了研究。搭建基于MicroBlaze的动态部分修复系统，当SPARC处理器整数部件流水线的执行阶段组合电路（ALU等）发生永久故障后，通过硬件内部配置接口HWICAP从CF卡中读取备份模块的比特流，进行部分重构，实现永久故障在线修复。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 空间辐射环境及对SPARC微处理的影响

1.3 国内外研究现状分析

1.4 本文主要研究内容

1.5 论文结构安排

第2章 SPARC微处理器在线故障检测方案设计

2.1SPARC V8系统结构

2.2 SPARCV8的实现-LEON3微处理器

2.3 LEON3 SoC平台搭建

2.4 故障模型

2.5 分割奇偶编码在线检测技术

2.6 故障注入技术

2.7 故障检测率

2.8 本章小结

第3章 LEON3整数部件在线故障检测实现

3.1 组合电路SET

3.2 时序电路SEU在线检测

3.3 加检测技术的硬件实现

3.4 本章小结

第4章 Cache系统和寄存器文件在线加固实现

4.1 ECC校验

4.2 Cache系统故障检测实现

4.3 寄存器文件故障检测实现

4.4 ECC加固硬件成本分析

4.4 本章小结

第5章LEON3 ALU动态部分重构技术

5.1 基于SRAM的FPGA结构介绍

5.2 Xilinx动态局部重构

5.3 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢