【摘要】： 近20年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,許多應(yīng)用場(chǎng)合都要求計(jì)算機(jī)必須長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行,作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)核心的微處理器的可靠性因此受到廣泛的關(guān)注。輻射和電磁干擾是目前造成的微處理器失效的主要原因,其造成的單粒子效應(yīng)對(duì)于微處理器可靠性的影響是當(dāng)前高可靠微處理器設(shè)計(jì)技術(shù)研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。 單粒子效應(yīng)中的單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)現(xiàn)象不會(huì)損壞邏輯電路,但可改變邏輯電路中信號(hào)的狀態(tài),從而造成電路工作紊亂,引發(fā)故障。SEU具有偶然性、突發(fā)性和隨機(jī)性,因而成為目前高可靠微處理器抗單粒子效應(yīng)設(shè)計(jì)中主要防護(hù)的對(duì)象。 單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)會(huì)引起微處理器功能單元不同故障,會(huì)導(dǎo)致處理器的不同失效情況。微處理器的不同功能單元其工作機(jī)理也不一樣,因此有不同的可靠性增強(qiáng)技術(shù)對(duì)它們進(jìn)行可靠性增強(qiáng)。 首先,本文分析了單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的環(huán)境、產(chǎn)生機(jī)理。然后論述了單粒子效應(yīng)對(duì)于微處理器的影響,特別是對(duì)時(shí)序電路和組合電路的影響。 微處理器中的寄存器在受到單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)事件時(shí)容易發(fā)生故障,三模冗余技術(shù)可對(duì)其進(jìn)行加固。傳統(tǒng)的三模冗余三路寄存器會(huì)在同一時(shí)刻采樣故障值從而導(dǎo)致寄存器出現(xiàn)故障。本文將增強(qiáng)型時(shí)空三模冗余技術(shù)用于對(duì)寄存器進(jìn)行可靠性增強(qiáng),從而在提高時(shí)序電路可靠性的同時(shí)增強(qiáng)了組合電路的容錯(cuò)性能。增強(qiáng)型時(shí)空三模冗余技術(shù)結(jié)合了時(shí)間冗余和空間冗余,是在用于對(duì)非反饋型電路可靠性增強(qiáng)普通時(shí)空三模冗余技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合加固反饋型電路的帶雙沿觸發(fā)寄存器進(jìn)行改進(jìn)的。 針對(duì)微處理器的ALU運(yùn)算單元,在HR8051中增加了Berger碼檢測(cè)器對(duì)其運(yùn)算過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。Berger碼檢測(cè)器利用算術(shù)運(yùn)算各種函數(shù)映射關(guān)系來(lái)檢測(cè)運(yùn)算過(guò)程是否有誤。針對(duì)存儲(chǔ)器和寄存器文件增加了EDAC檢錯(cuò)糾錯(cuò)器對(duì)其讀寫(xiě)過(guò)程進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。控制流檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)保存和恢復(fù)用于對(duì)控制單元進(jìn)行可靠性增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)。安全狀態(tài)機(jī)用于對(duì)MDU運(yùn)算控制的狀態(tài)機(jī)進(jìn)行可靠性增強(qiáng)。 在實(shí)現(xiàn)的可靠性增強(qiáng)微處理器HR8051基礎(chǔ)上進(jìn)行故障注入,分析其在故障存在條件下的行為和各可靠性增強(qiáng)技術(shù)的效果。故障注入的結(jié)果顯示,時(shí)空三模冗余技術(shù)在故障持續(xù)時(shí)間不大于三路時(shí)鐘的相位差的情況下,可以很好的屏蔽組合邏輯和時(shí)鐘線的單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)事件。同時(shí)結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)脑黾尤窌r(shí)鐘相位差可以提高時(shí)空三模冗余技術(shù)的效果,但有個(gè)最佳值。隨后可靠性增強(qiáng)效果呈下降趨勢(shì);當(dāng)故障持續(xù)時(shí)間大于三路時(shí)鐘相位差時(shí)使兩路時(shí)鐘同時(shí)采樣到故障值,在反饋型電路會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的故障狀態(tài)。 最后介紹將SystemVerilog斷言機(jī)制應(yīng)用于故障檢驗(yàn),結(jié)合故障注入從系統(tǒng)級(jí)檢驗(yàn)可靠性增強(qiáng)技術(shù)對(duì)電路可靠性的影響。Markov分析方法結(jié)合故障注入的結(jié)果和HR8051的具體實(shí)現(xiàn),對(duì)HR8051在單粒子翻(SEU)事件的攻擊下的行為進(jìn)行部分假設(shè)和簡(jiǎn)化來(lái)分析了熱備份系統(tǒng)的可靠性行為。
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TP368.1

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 上官士鵬;脈沖激光模擬試驗(yàn)數(shù)字器件單粒子效應(yīng)的機(jī)理與方法研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）;2011年

2 張振力;臨近空間大氣中子及其誘發(fā)的單粒子效應(yīng)仿真研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）;2010年

本文編號(hào)：2792679