【摘要】：隨著工藝技術的不斷進展，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計與實現(xiàn)技術。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。基于檢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，能夠指導處理器核的檢錯和容錯設計。 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；研究了故障在不同并行分段結(jié)構上的傳播行為，發(fā)現(xiàn)雜環(huán)結(jié)構是產(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)構轉(zhuǎn)換成無環(huán)結(jié)構，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，能夠指導多核處理器的檢錯和容錯設計。 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的容錯處理器核結(jié)構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），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、隔離邊界設定在SOC框架中適當?shù)拇鎯哟�，縮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——DoubleRun-MP，設計實現(xiàn)了DoubleRun-MP并行容錯處理器結(jié)構。DoubleRun-MP使容錯事務的執(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，避免了因父子事務依賴關系而導致的處理器忙等待，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上提出了寫前讀并行程序分段方法構造容錯事務，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，使用Lamport時鐘對容錯事務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。
【學位授予單位】：國防科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TP302.8;TP332

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 沈緒榜;嵌入式MPP處理器的發(fā)展[J];電子產(chǎn)品世界;2005年21期

2 于永斌;徐潔;吳曉華;王華;丁旭陽;;多核時代的“計算機系統(tǒng)結(jié)構”課程[J];計算機教育;2011年06期

3 羅沛霖;羅晉;凱睿;Steve Novack;Victor Berman;;混合式可重構數(shù)字多核并行處理器平臺[J];前沿科學;2008年04期

4 ;通過FLIX指令結(jié)構提高可配置處理器計算性能[J];電子設計技術;2006年02期

5 許珊琳;;ARM公司的多處理技術[J];中國集成電路;2006年05期

6 ;龍芯2號增強型處理器Loongson2E[J];中國集成電路;2008年02期

7 王瑩;;Wind River為Altera軟核NiosII提供Linux支持[J];電子產(chǎn)品世界;2009年04期

8 郭從征;王沁;;低速率聲碼器芯片設計[J];河北工業(yè)大學成人教育學院學報;2005年04期

9 趙德斌,陳耀強,胡良校;Feig快速DCT算法及其處理器的體系結(jié)構設計[J];計算機研究與發(fā)展;1998年12期

10 Peter Coffee;;快不是唯一標準[J];每周電腦報;1999年44期

相關會議論文 前10條

1 彭林;張小強;劉德峰;謝倫國;田祖?zhèn)?;一種挖掘多核處理器存儲級并行的算法[A];第15屆全國信息存儲技術學術會議論文集[C];2008年

2 陳虎;歐彥麟;陳海波;;面向多核處理器平臺的并行Hash JOIN算法設計與實現(xiàn)[A];NDBC2010第27屆中國數(shù)據(jù)庫學術會議論文集(B輯)[C];2010年

3 陳虎;羅偉良;干蕓蕓;;Multi_MINT:一個基于MINT的多核處理器模擬器[A];第十五屆計算機工程與工藝年會暨第一屆微處理器技術論壇論文集（B輯）[C];2011年

4 何軍;王飆;;通用多核處理器發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢研究[A];第十五屆計算機工程與工藝年會暨第一屆微處理器技術論壇論文集（A輯）[C];2011年

5 周巍;孫冰;戰(zhàn)立明;呂建華;王國仁;于戈;;基于DOM模型的XML查詢處理器的設計與實現(xiàn)[A];第十八屆全國數(shù)據(jù)庫學術會議論文集（研究報告篇）[C];2001年

6 王海鵬;倪遠平;;U-boot在mini2440平臺上的移植方法[A];2010年西南三省一市自動化與儀器儀表學術年會論文集[C];2010年

7 胡杏;胡瑜;李曉維;;基于存儲級并行的同時多線程電壓緊急容錯技術[A];第十四屆全國容錯計算學術會議(CFTC'2011)論文集[C];2011年

8 王慶;季振洲;劉濤;;面向嵌入式多核存儲層次的OpenMP優(yōu)化研究[A];2010年第16屆全國信息存儲技術大會（IST2010）論文集[C];2010年

9 李勇;劉勝;甄體智;;C64x+DSP內(nèi)核分析及其性能評價[A];第15屆全國信息存儲技術學術會議論文集[C];2008年

10 劉滔;毛宇光;徐潔磐;;CBase查詢執(zhí)行引擎的設計與實現(xiàn)[A];第十八屆全國數(shù)據(jù)庫學術會議論文集（技術報告篇）[C];2001年

相關重要報紙文章 前10條

1 本報記者 溫慶生　特約記者 王握文;“算盤王國”新傳奇[N];光明日報;2010年

2 學健 編譯;Linux：一種趨勢[N];計算機世界;2001年

3 心元;PC“心臟”的搏擊[N];計算機世界;2004年

4 本報記者 湯銘;“天河一號” 躍居世界榜首[N];計算機世界;2010年

5 ;Microsoft Embeded OS縮小的桌面系統(tǒng)[N];中國計算機報;2001年

6 本報記者 薛仁　王握文 特約通訊員 司宏偉;超越之路[N];解放軍報;2010年

7 本報記者 張群英;10年布局IBM豪賭“一種服務器”[N];網(wǎng)絡世界;2002年

8 ;HP為Itanium提供Linux開發(fā)工具包[N];計算機世界;2000年

9 米笑;安全實現(xiàn)接入端業(yè)務匯聚[N];中國計算機報;2004年

10 井之;新一代安騰處理器[N];網(wǎng)絡世界;2002年

相關博士學位論文 前10條

1 徐光;分片式流處理器體系結(jié)構[D];中國科學技術大學;2010年

2 孫濤;面向動態(tài)異構眾核處理器的任務調(diào)度研究[D];中國科學技術大學;2013年

3 劉德峰;面向存儲級并行的多核處理器關鍵技術研究[D];國防科學技術大學;2011年

4 李靜梅;多核處理器的設計技術研究[D];哈爾濱工程大學;2010年

5 朱海濤;面向高密度計算的多核處理器結(jié)構研究[D];中國科學技術大學;2011年

6 劉谷;可重構眾核流處理器上的編譯與程序優(yōu)化技術[D];中國科學技術大學;2013年

7 陳虎;面向應用的指令集處理器關鍵技術研究[D];國防科學技術大學;2011年

8 劉光輝;高效處理器容錯技術研究與實現(xiàn)[D];國防科學技術大學;2013年

9 黃立波;片上集群體系結(jié)構關鍵技術研究[D];國防科學技術大學;2010年

10 張惠臻;可重構指令集處理器設計中的軟件重定向關鍵技術研究[D];中國科學技術大學;2010年

相關碩士學位論文 前10條

1 趙麗麗;基于TTA內(nèi)核的流處理器設計的研究[D];上海交通大學;2010年

2 董珍;異構多核處理器的任務調(diào)度分配問題及算法研究[D];哈爾濱工程大學;2010年

3 尤凱迪;高性能低功耗多核處理器研究[D];復旦大學;2011年

4 鐘松延;可配置可擴展處理器編譯器設計[D];天津大學;2012年

5 劉子揚;基于虛擬計算群的眾核處理器動態(tài)在線任務調(diào)度算法研究[D];上海交通大學;2013年

6 盛肖煒;多核處理器內(nèi)部核間通信研究[D];沈陽理工大學;2013年

7 董正楊;亂序處理器指令吞吐量平穩(wěn)化的動態(tài)調(diào)節(jié)方法研究[D];華中科技大學;2012年

8 閔銀皮;同構通用流多核處理器存儲部件關鍵技術研究[D];國防科學技術大學;2012年

9 葉新棟;一種Java處理器的體系結(jié)構設計與研究[D];復旦大學;2011年

10 馬媛;基于多核處理器平臺的分流模塊的設計與實現(xiàn)[D];北京交通大學;2012年

本文編號：2544088