基于寄存器的容错编译优化方法研究

摘要

软错误是由一些电子噪声诱发的瞬态故障现象，这种现象多发生在半导体电路中。近年来，大型集成电路的尺寸和工作电压逐步降低，用以满足人们对低能耗和高集成度日益增长的需求，因此它们对软错误的敏感性明显增强。软错误不仅会在宇宙环境中引发一系列问题，同时随着技术的不断进步，也成为了地面计算机研究上一个应当重视的问题。
　　因为计算机系统经常频繁的访问寄存器文件，所以如果有软错误发生在寄存器文件中，它就会迅速地传播到整个系统的其他部分，所以寄存器是影响整个系统可靠性的重要因素。软件容错技术与硬件容错相比拥有成本低与灵活性高等优点，因此我们着重研究软件容错技术。然而，现存的保护技术通常会导致显著的功率代价和性能下降。所以，本文在汇编语言级，以可靠性为依据，研究了软件容错编译优化技术。本文主要工作分为如下几点：
　　1.提出了一种轻量级的OMSER（Optimation of Masking Soft Errors in Register file s）算法来减少寄存器中的软错误。基于对许多窄数据宽度的寄存器的值的观察，我们发现其中很大一部分空间的寄存器数据是未被使用的，因此，屏蔽操作被插入来清除这些寄存器空间中可能出现的错误，从而缩小寄存器的错误窗口。为了提升效率，每个屏蔽范围内的效率都被算出，而且覆盖屏蔽分析可以在不牺牲错误覆盖率的情况下去除不必要的屏蔽。根据用户定义的开销约束，我们可以自动选择最划算的屏蔽操作。几个基准测试实验结果表明，程序的可靠性都得到平均16.38％的改善，而且只增加了3.44%的性能开销。
　　2.提出了一种用于增强程序可靠性的编译优化方法—SITSER（Scheduling Instructions in Traces for Soft Errors in Register files）。其基本思想是通过对程序剖面的分析找出程序执行概率高的基本块形成踪迹，并且通过踪迹调度缩短踪迹中寄存器的活跃时间之和，从而提高程序的可靠性。之后，根据指令依赖关系分析、ASER分析和形成的具体踪迹的结果，我们给出具体的踪迹调度算法。最终通过错误注入实验显示出，在无明显开销的情况下，程序的可靠性提高了3.89%。
　　3.将以上两种方法结合，提出一种在无明显性能开销的情况下提高程序可靠性的方法。其基本思想是先通过 OMSER算法来缩小寄存器的错误窗口，再通过踪迹调度的方式对已被 OMSER算法加固的程序进行指令调度从而进一步减少性能开销并且提高可靠性。实验表明，在增加了3.46%性能开销的情况下，程序可靠性提高了18.75%。

目录

第一章 绪论

1 .1 研究背景及意义

1 .2 本文主要工作

1 .3 论文结构

第二章 软错误的技术背景

2 .1软错误的原理

2 .2 软件容错的研究成果

2 .3 容错的编译优化

第三章 利用窄数据宽度屏蔽寄存器中的软错误

3.1 OMSER架构

3.2 OMSER方法

第四章 面向寄存器中软错误的踪迹调度技术

4 .1 踪迹构建方法

4 .2 指令调度方法

第五章 自动化程序加固工具设计与加固效果分析

5 .1 加固工具总体流程

5 .2 加固工具模块设计

5 .3 数据宽度屏蔽减少寄存器软错误的加固效果分析

5 .4 踪迹调度技术减少寄存器软错误的加固效果分析

5 .5 数据宽度屏蔽联合踪迹调度减少寄存器软错误的加固效果分析

5.6 OMSER技术对JEPG2000的加固效果分析

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果