高可靠8051设计与实现及可靠性评估

论文摘要

近20年来,随着计算机技术的广泛应用,许多应用场合都要求计算机必须长期稳定、可靠地运行,作为计算机系统核心的微处理器的可靠性因此受到广泛的关注。辐射和电磁干扰是目前造成的微处理器失效的主要原因,其造成的单粒子效应对于微处理器可靠性的影响是当前高可靠微处理器设计技术研究领域关注的焦点。单粒子效应中的单粒子翻转(SEU)现象不会损坏逻辑电路,但可改变逻辑电路中信号的状态,从而造成电路工作紊乱,引发故障。SEU具有偶然性、突发性和随机性,因而成为目前高可靠微处理器抗单粒子效应设计中主要防护的对象。单粒子翻转(SEU)会引起微处理器功能单元不同故障,会导致处理器的不同失效情况。微处理器的不同功能单元其工作机理也不一样,因此有不同的可靠性增强技术对它们进行可靠性增强。首先,本文分析了单粒子效应产生的环境、产生机理。然后论述了单粒子效应对于微处理器的影响,特别是对时序电路和组合电路的影响。微处理器中的寄存器在受到单粒子翻转(SEU)事件时容易发生故障,三模冗余技术可对其进行加固。传统的三模冗余三路寄存器会在同一时刻采样故障值从而导致寄存器出现故障。本文将增强型时空三模冗余技术用于对寄存器进行可靠性增强,从而在提高时序电路可靠性的同时增强了组合电路的容错性能。增强型时空三模冗余技术结合了时间冗余和空间冗余,是在用于对非反馈型电路可靠性增强普通时空三模冗余技术的基础上结合加固反馈型电路的带双沿触发寄存器进行改进的。针对微处理器的ALU运算单元,在HR8051中增加了Berger码检测器对其运算过程进行监控。Berger码检测器利用算术运算各种函数映射关系来检测运算过程是否有误。针对存储器和寄存器文件增加了EDAC检错纠错器对其读写过程进行检错和纠错。控制流检测与现场保存和恢复用于对控制单元进行可靠性增强实现。安全状态机用于对MDU运算控制的状态机进行可靠性增强。在实现的可靠性增强微处理器HR8051基础上进行故障注入,分析其在故障存在条件下的行为和各可靠性增强技术的效果。故障注入的结果显示,时空三模冗余技术在故障持续时间不大于三路时钟的相位差的情况下,可以很好的屏蔽组合逻辑和时钟线的单粒子翻转(SEU)事件。同时结果表明,适当的增加三路时钟相位差可以提高时空三模冗余技术的效果,但有个最佳值。随后可靠性增强效果呈下降趋势;当故障持续时间大于三路时钟相位差时使两路时钟同时采样到故障值,在反馈型电路会导致长时间的故障状态。最后介绍将SystemVerilog断言机制应用于故障检验,结合故障注入从系统级检验可靠性增强技术对电路可靠性的影响。Markov分析方法结合故障注入的结果和HR8051的具体实现,对HR8051在单粒子翻(SEU)事件的攻击下的行为进行部分假设和简化来分析了热备份系统的可靠性行为。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 国外微处理器可靠性设计技术研究和发展概况
• 1.2.2 国内微处理器可靠性设计技术研究和发展概况
• 1.3 课题研究内容
• 1.3.1 课题研究的内容
• 1.3.2 课题研究的难点和创新点
• 1.4 论文结构
• 第二章 单粒子效应及故障注入模拟
• 2.1 单粒子效应产生的环境
• 2.2 单粒子效应的产生机理
• 2.2.1 单粒子效应分类
• 2.2.2 单粒子翻转机理
• 2.3 单粒子翻转效应对微处理器的影响
• 2.3.1 SEU对时序电路的影响
• 2.3.2 SEU对组合电路的影响
• 2.3.3 SEU对时钟复位网络的影响
• 2.4 单粒子翻转事件的故障注入模拟
• 2.5 小结
• 第三章 高可靠性8051设计关键技术研究
• 3.1 增强型时空三模冗余技术
• 3.1.1 传统三模冗余的不足
• 3.1.2 时空三模冗余技术原理
• 3.1.3 增强型时空三模冗余技术
• 3.2 EDAC检错纠错码
• 3.3 安全状态机
• 3.4 Berber码
• 3.5 控制流检测技术
• 3.5.1 程序控制流图
• 3.5.2 基本块签名
• 第四章 HR8051的可靠性增强实现
• 4.1 HR8051寄存器的可靠性增强实现
• 4.1.1 增强型时空三模冗余技术的实现过程
• 4.1.2 复位信号
• 4.2 控制器可靠性增强实现
• 4.3 存储器的可靠性增强实现
• 4.3.1 可配置EDAC编码器/译码器
• 4.3.2 EDAC编码器/译码器与其它模块的交互
• 4.4 ALU可靠性增强实现
• 第五章 RTL级HR8051可靠性评估
• 5.1 故障注入环境
• 5.1.1 单粒子翻转事件的特点
• 5.1.2 故障注入过程
• 5.2 故障结果分析
• 5.2.1 故障持续时间对可靠性的影响
• 5.2.2 反馈控制回路依赖关系对可靠性提高的影响
• 5.2.3 单粒子翻转事件对存储器的影响
• 5.2.4 时钟相位差对可靠性的影响
• 5.2.5 可靠性总体故障注入结果
• 第六章 系统级HR8051可靠性评估初步研究
• 6.1 系统级故障评估分析
• 6.1.1 系统级故障统计
• 6.1.2 基于断言的故障统计
• 6.1.3 System Verilog断言支持
• 6.1.4 串口0电路的系统级故障分析
• 6.2 马尔科夫链分析
• 6.2.1 基本可靠性的指标
• 6.2.2 马尔科夫过程方法
• 6.2.3 Markov链状态转移法的定量分析方法
• 6.2.4 Markov链状态转移法的重要度分析
• 6.2.5 功能单元Markov分析
• 第七章 总结
• 7.1 完成的工作
• 7.2 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果