基于多目标优化的DSP系统防护研究

摘要

太空环境中存在大量的宇宙射线，这些宇宙射线轰击处理器芯片，会发生各种各样的故障，由高能粒子辐射所造成的软错误已经成为航天计算领域的主要挑战之一。因此，针对宇航器中的处理器芯片进行有针对的防护是十分必要的。由此，近年来很多对宇航器中的处理器芯片进行防护加固的技术相继被提出来。然而，各种防护方法在提高可靠性的同时，会带来不同程度的代价（如程序存储量，程序运行时间）的增加，在一些比较苛刻的环境下，如对实时性要求比较高或者存储量有限的情况下，这些额外的代价会影响程序的性能。因此，如何对程序各个基本块选择合适的防护方法，使得防护后系统可靠性尽量提高，且防护代价不会太高，成为一项关键的技术。
　　本文以DSP XXX型号芯片为研究对象，主要研究了对工程代码各个基本块选择合适的防护方法进行系统防护，尽量提高系统可靠性并且降低防护带来的系统代价。本文的主要工作如下：
　　（1）确定了DSP基本块的划分规则；建立了基本块程序存储量模型和基于贝塔分布与正态分布的运行时间模型，用于对基本块代价进行估算；根据高能辐射粒子轰击处理器芯片的特点，DSP体系结构的特点和概率论的知识，建立了针对DSP工程的单粒子翻转模型，用于估算DSP工程的出错频率，评估DSP工程的可靠性。
　　（2）对比较常用的软防护方法，包括关键指令三模冗余防护、关键变量LS-TMR防护、基本块时间冗余和时空冗余以及关键变量汉明码防护，分别提出针对DSP基本块防护的设计方案，同时从理论上建立各个防护方法的可靠性模型，并且对各个防护方法所带来的代价包括程序存储量和运行时间进行估计。
　　（3）提出了基于路径建立系统代价和系统可靠性的多目标防护优化模型。首先，对所有基本块各种防护方法防护前后程序存储量和运行时间归一化；然后根据基本块的概率转移关系，赋予每条执行路径一定的执行概率；最后以各个基本块选择的防护方法构成的防护组合为决策变量，基于路径加权所求得的代价和可靠性为两个优化目标，建立出系统防护优化模型。根据系统防护优化模型可以很好的权衡不同系统防护组合所对应的系统可靠性与系统代价。
　　（4）提出了一种基于自适应概率选择机制的离散粒子群算法。本算法模拟标准粒子群算法的流程，改进粒子群算法迭代更新公式，提出以概率的方式在离散空间中进行粒子迭代位置的更新；本算法可以用于解决本论文所建立的防护优化模型；通过算法对比实验，验证了所提出算法的有效性和可行性。
　　根据实验结果得到，本文系统防护优化模型得到的系统防护组合，可以较好的权衡系统的可靠性和系统的代价，最终可以指导工程设计人员对DSP系统的防护工作。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2 DSP防护国内外研究现状

1.3论文主要工作及论文结构

第二章 DSP基本块代价与可靠性评估

2.1 TMS320C6000系列DSP简介

2.2基本块划分与代价评估

2.3基于单粒子翻转的可靠性模型

2.4本章小结

第三章 DSP基本块软防护方法的研究

3.1关键指令三模冗余防护

3.2关键变量LS-TMR防护

3.3基本块时间三模冗余防护

3.4基本块时空三模冗余防护

3.5关键变量汉明码防护

3.6本章小结

第四章 系统防护优化模型的建立与求解

4.1系统防护建模相关定义

4.2基于路径系统防护优化模型的建立

4.3系统防护优化模型的求解

4.4系统防护实验与分析

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1研究工作总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

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