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软硬件协同设计的SEU故障注入技术研究

更新时间：2019-12-24 04:30:52 大小：1008K 上传用户：守着阳光1985查看TA发布的资源 标签：软硬件协同设计 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对现有容错计算机故障注入方法缺乏对空间环境中频发的单粒子故障模型的支持,本文提出了一种利用背板技术的软硬件协同仿真与故障注入技术,分别针对寄存器部件和存储器部件的特性,设计了多位错误的单粒子故障模型,在寄存器传输级实现了通过软件生成故障并注入到硬件设计中的软硬件协同故障注入方案,避免了在硬件设计中修改代码生成故障破坏系统完整性的问题.基于Leon2内核的故障注入实验表明,本文设计的平台为处理器容错设计提供了一个自动化、非侵入、低开销的故障注入和可靠性评估方案


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软硬件协同设计的SEU故障注入技术研究.pdf 1008K

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10  
Vol． 46 No． 10  
Oct． 2018  
第
2018  
期
10  
电
子
ACTA ELECTRONICA SINICA  
学
报
年
月
SEU  
软硬件协同设计的  
故障注入技术研究  
1
2
3
3
3
1，3  
，
，
，
，
，
王 晶 荣金叶 周继芹 于 航 申 娇 张伟功  
首都师范大学信息工程学院 北京  
( 1．  
，
100048; 2．  
，
100076;  
北京微电子技术研究所 北京  
3．  
，
100048)  
首都师范大学电子系统可靠性技术北京市重点实验室 北京  
:
，
针对现有容错计算机故障注入方法缺乏对空间环境中频发的单粒子故障模型的支持 本文提出了一种  
摘
要
，
，
利用背板技术的软硬件协同仿真与故障注入技术 分别针对寄存器部件和存储器部件的特性 设计了多位错误的单粒  
，
，
子故障模型 在寄存器传输级实现了通过软件生成故障并注入到硬件设计中的软硬件协同故障注入方案 避免了在硬  
．
件设计中修改代码生成故障破坏系统完整性的问题 基于  
Leon2  
，
内核的故障注入实验表明 本文设计的平台为处理器  
、
、
．
容错设计提供了一个自动化 非侵入 低开销的故障注入和可靠性评估方案  
:
;
;
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
容错 故障注入 软硬件协同 单粒子翻转 微处理器 寄存器传输级  
TP302. 8  
0372-2112 ( 2018) 10-2534-05  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 10． 030  
:
:
A
:
文章编号  
文献标识码  
电子学报  
The Research on Software-Hardware  
Co-designed SEU Fault-Injection Technology  
1
2
3
3
3
1，3  
WANG Jing ，RONG Jin-ye ，ZHOU Ji-qin ，YU Hang ，SHEN Jiao ，ZHANG Wei-gong  
( 1． College of Information Engineering，Capital Normal University，Beijing 100048，China;  
2． Beijing Microelectronics Technology Institute，Beijing 100076，China;  
3． Beijing Key Laboratory of Electronic System Reliability Technology，Capital Normal University，Beijing 100048，China)  
Abstract: The existing real-world or simulated fault injection methods cannot meet the requirements of reliability ver-  
ification of nanoscale microprocessors for space applications，since they may introduce problems such as high cost，poor flex-  
ibility，poor observability，and low accuracy． This paper proposes a hardware/software cooperated fault injection scheme  
based on backplane，the time and positions of fault are generated in software，and injected into hardware design at register  
transfer level． Further，a multi-bit fault model focuses on radiation-induced soft error is proposed for register and memory．  
Experimental results show that the proposed software and hardware co-designed fault injection platform provides a high auto-  
mation，randomicity and non-intrusion reliability evaluation method for fault-tolerant processor design．  
Key words: fault-tolerant; fault injection; software-hardware co-design; single event upset; microprocessor; RTL  
．
加速了系统失效过程 然而现有仿真故障注入技术缺  
1
引言  
SEU  
，
乏空间  
故障的模型 并且在硬件设计中增加故障  
注入代 码［3 ～ 5］ 破 坏 了 系 统 的 完 整 性 和 测 试 的 可 信  
，
随着集成电路器件特征尺寸的不断减小 空间环  
，
性［6 ～ 9］ 因此如何实现自动化 非侵入的模拟故障注入  
．
SEU  
，
会更加频繁 所引发的故障不仅导致单位错  
境中  
．
、
［1］  
，
．
误 还会引发大量多位翻转错误  
可靠容错处理器设计过程中必不可少的重要一环［2］  
可靠性评估作为高  
是容错设计领域关心的热点问题  
，
，
针对上述问题 本文提出一种基于仿真背板的故  
，
能够在系统设计早期对容错方案进行验证 尽可能的  
．
，
障注入技术 借助硬件描述语言外部接口实现底层硬  
．
提高容错能力 基于仿真的故障注入方法通过人工激  
件信号和上层软件之间通信数据传输和调度 提出面  
，
，
，
活向目标系统引入故障 有效地缩短了故障的潜伏期  
向单粒子事件的多位错误故障模型 设计基于影响系  
: 2016-12-20;  
: 2017-08-14;  
:
收稿日期  
修回日期  
责任编辑 覃怀银  
( No． 61772350，No． 61472260，No． 61741211 ) ; ( No．  
北 京 市 高 水 平 教 师 队 伍 建 设 计 划  
:
973  
;
基金项目 国 防  
项 目 国 家 自 然 科 学 基 金  
体系结构国家重点实验室开放课题  
( No． JCYJ20150529164656096，No． JCYJ20170302153955969)  
CIT＆TCD201704082，No． CIT＆TCD20170322) ;  
( No． CARCH201607) ;  
( No． XX2018081) ;  
北京市科技新星计划  
深圳市科技计划项目  
2535  
10  
:
SEU  
第
期
王
晶 软硬件协同设计的  
故障注入技术研究  
．
数的随机故障生成算法 实现了一种非侵入式的故障 调试控制命令发送给硬件仿真环境中的目标处理器  
，
，
注入平台 设计了自动化的故障注入信号获取和基于  
．
同时也通过仿真背板接收硬件处理器返回的系统状态  
．
用于调试 故障注入软件通过用户界面接收故障注入  
信号池的自动化目标信号选取方法 本文所实现的方  
，
，
时间和位置等参数 通过仿真背板接收硬件发送来的  
案在实际容错处理器设计中进行了验证和测试 并借  
Cache  
， ，  
硬件信号列表 通过一个先深搜索的循环遍历 完成所  
助所实现的平台对容错流水线设计和  
设计方案  
，
、
，
有信号的分层识别和记录 建立分层资源池用于在故  
进行了调试和验证 为容错处理器的设计 验证和优化  
．
，
障注入时直接定位注入信号 然后生成针对硬件信号  
提供了行之有效的方案  
，
的故障库 所生成的故障和仿真控制信息通过仿真背  
2
基于仿真背板的软硬件协同故障注入平台  
，
板发送给目标处理器 并通过仿真背板接收处理器注  
1
，
基于背板技术设计的系统框架如图 所示 其中调  
．
，
入后的状态 容错处理器原型在硬件仿真器中执行 通  
DSU  
试控制软件负责编译和配置在目标处理器上运行的软  
过带有跟踪缓存的内部调试单元  
．
发送执行状态  
接收软件命令并  
，
，
件程序 可以通过图形界面或命令行提供输入输出 通  
，
过网络或串口同底层硬件通信 软件通过仿真背板将  
，
，
脱离物理原型 使设计人员尽可能在设计早期发现并  
仿真背板虚拟了网卡和串口等硬件设备 根据软  
，
．
硬件信息交互的需求将控制命令和故障注入信息发送  
及时修改错误 从而降低开发成本 仿真背板上软件部  
DSU，DSU  
，
分对应硬件描述语言模块中的敏感信号例化 当逻辑  
给硬件  
返回的信息则根据内容分发到不同  
，
，
的目的地 将调试器观察到的调试信息发送给调试软  
电路触发该模块的敏感信号时 仿真器就会调用对应  
，
，
动态链接库中的程序 将硬件描述语言中定义的信号  
件 将信号状态等故障注入所需信息发送给故障注入  
，
，
软件 实现控制命令和返回结果等通信数据的传输和  
无缝映射到高级语言环境下 此时对这个信号逻辑值  
［10］  
，
．
调度 仿真背板通过  
VHDL  
C
，
借
的任何处理都可以基于软件的算法来实现 高级语言  
和
语言的混合编程  
无论在流程控制还是函数调用方面都比硬件语言和脚  
助于硬件描述语言的外部语言接口实现硬件仿真器和  
、
软件系统之间相互的关联 映射以及数据控制模块之  
，
本语言要容易 不再受到硬件语言以及模拟器仿真命  
，
．
C
令的局限性 因而能够支持更加复杂的故障模型和算  
间无缝的信息交互 外部语言接口可以用 语言设计  
，
，
．
激励并在硬件仿真器中执行仿真验证任务 硬件接口  
法 并且高级语言具有良好的可移植性 便于更多功能  
．
，
的扩展 而软件程序下载到芯片中时不会被综合 因此  
部分借助于硬件描述语言外部接口提供的信号监控和  
信号即时状态读取功能将硬件模块中关注的信号抽取  
，
，
不增加额外逻辑 也避免了对硬件模块的侵入和影响  
，
，
，
既保护了目标模型的完整性 又使得测试结果更具有  
出来 通过信号逻辑值强制赋值实现故障注入 注入后  
．
，
真实性  
信号逻辑值立刻发生变化 不会影响电路中其他与该  
，
2. 1  
信号有逻辑关系的信号 模拟了单粒子事件发生时对  
寄存器故障模型  
由于寄存器和存储器的结构差别较大 因此所对  
．
，
，
电路的影响效果 通过基于背板技术的协同仿真 完全  

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