發(fā)布時間：2019-09-29 19:09

【摘要】：隨著工藝技術(shù)的不斷進展，微處理器變得越來越容易受到瞬態(tài)故障的影響，可靠性成為處理器當(dāng)前面臨的重大挑戰(zhàn)。面向瞬態(tài)故障，本文從故障傳播行為分析的角度研究了多核處理器的可靠性問題，研究了高效容錯多核處理器的設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)。取得的主要研究成果如下： 1、分析了故障在單個線程內(nèi)的傳播行為�；跈z查點方法對程序進行分段容錯的現(xiàn)狀，我們采用數(shù)據(jù)流分析方法，分析了硬件故障所引起的數(shù)據(jù)錯誤隨指令執(zhí)行的傳播行為，分析了故障在單個線程內(nèi)的段間傳播行為，建立了相應(yīng)的錯誤傳播方程和算法。并提出了基于已知錯誤的故障定位分析方法，得到了避免故障跨段傳播，所需檢查數(shù)據(jù)的最小集合。故障在單個線程內(nèi)的傳播行為分析理論，能夠指導(dǎo)處理器核的檢錯和容錯設(shè)計。 2、分析了故障跨線程的傳播行為。具體包括：分析了共享存儲并行程序的分段結(jié)構(gòu)；研究了故障在不同并行分段結(jié)構(gòu)上的傳播行為，發(fā)現(xiàn)雜環(huán)結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生故障向后污染傳播的根本原因；證明了通過修改分段方式能夠?qū)㈦s環(huán)和純環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成無環(huán)結(jié)構(gòu)，以避免故障向后污染傳播行為的發(fā)生；發(fā)現(xiàn)了弱存儲一致性模型對故障跨線程傳播行為的影響。故障跨線程的傳播行為分析理論，能夠指導(dǎo)多核處理器的檢錯和容錯設(shè)計。 3、根據(jù)故障在單個線程內(nèi)的傳播行為分析，提出了BRO-SOC（BackwardRecovery Oriented Sphere of Correctness）框架的概念，BRO-SOC歸納了故障的檢測和隔離邊界與系統(tǒng)的存儲層次之間的關(guān)系，并定義了一個正確性域，隨著計算的進行，程序可以分段式地步進，SOC域內(nèi)的功能部件和程序狀態(tài)具備邏輯上維持正確性的能力。在BRO-SOC框架下，提出了一種新的基于時間冗余技術(shù)的容錯處理器核結(jié)構(gòu)DoubleRun，其基本思想是將程序以時間冗余的方式分段執(zhí)行（即容錯事務(wù)），確保其中無故障產(chǎn)生后再提交新產(chǎn)生的程序狀態(tài)。其創(chuàng)新之處在于：（1）使用時間冗余機制容忍系統(tǒng)中的瞬態(tài)故障，省去了空間冗余執(zhí)行方案中的核間隊列與核間輸出比較通道；（2）將故障檢測、隔離邊界設(shè)定在SOC框架中適當(dāng)?shù)拇鎯哟危s小了故障的傳播距離和檢測延時，減小了前瞻現(xiàn)場規(guī)模及維護前瞻現(xiàn)場的硬件開銷，且避免由于改動流水線而導(dǎo)致的性能下降；（3）使用寫操作的輸出作為故障檢測手段，并用CRC算法將所有寫操作的信息編碼到指紋中，，通過對比指紋檢測故障使故障檢測機制更高效；（4）用純硬件方式實現(xiàn)正確性域之內(nèi)的檢查點，使檢查點的創(chuàng)建和維護開銷很小。 4、根據(jù)故障跨線程的傳播行為分析，提出了多核并行計算平臺的DoubleRun結(jié)構(gòu)——DoubleRun-MP，設(shè)計實現(xiàn)了DoubleRun-MP并行容錯處理器結(jié)構(gòu)。DoubleRun-MP使容錯事務(wù)的執(zhí)行、驗證和提交過程可分布式、本地化地完成，無需進行全局同步，增加了系統(tǒng)的可擴展性。DoubleRun-MP設(shè)計了PSB緩沖機制，支持處理器核中同時維護多個未經(jīng)驗證容錯事務(wù)，避免了因父子事務(wù)依賴關(guān)系而導(dǎo)致的處理器忙等待，提高了處理器的使用率。為支持未驗證數(shù)據(jù)的共享，DoubleRun-MP還使用并修改了MOESI cache一致性協(xié)議，使其支持原始執(zhí)行體與冗余執(zhí)行體的冗余執(zhí)行。此外我們還在第三章的理論基礎(chǔ)上提出了寫前讀并行程序分段方法構(gòu)造容錯事務(wù)，避免系統(tǒng)檢測到故障后回滾時產(chǎn)生的多米諾骨牌回滾效應(yīng)，使用Lamport時鐘對容錯事務(wù)進行全局排序以支持其新狀態(tài)按邏輯順序向下持久化。提出了訪存窗口的概念，并設(shè)計了指令年齡表，通過限制寫操作打破訪存窗口確保了原始執(zhí)行體與冗余執(zhí)行體的輸入一致性，保證了并行程序的執(zhí)行語義正確性。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TP302.8;TP332

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本文編號：2544088