面向单粒子效应的软件故障注入技术研究

论文摘要

随着我国空间探测事业的发展,人们对星载系统可靠性的要求越来越高。容错技术是提高星载计算机系统可靠性的重要方法,为保证容错设计的正确性和容错机制的效率,需要采用辅助的技术对容错系统进行验证。容错验证主要有三种方法:分析模型法、现场错误数据分析法和故障注入方法。与前两种方法相比,故障注入技术方法不需要精确的系统参数,不需要长时间地等待数据采集,具有方便、快捷、实时等优点。目前故障注入技术已成为评测和验证容错机制的一种最为常用和有效的方法。本文针对空间环境中的单粒子效应,重点研究了单粒子故障在程序中的传播规律和故障模型的生成方法。其中,故障模型是故障注入实验的重要组成部分。本文从容错技术和故障注入技术研究的需求出发,在汇编语言级别上对单粒子故障在程序中的传播规律进行了研究。首先分析了单粒子故障对硬件系统的影响,并提出了定量的故障产生概率模型。然后分别以基本块、执行路径、程序为单位,研究了单粒子故障在程序中的传播过程,给出了基本块故障流图的生成算法、执行路径故障流图的生成算法和程序故障流图的生成算法。在故障流图的基础上,通过引入风险概率的定义,定量地描述了程序数据存储位置发生故障对程序运行的影响。根据风险概率值的大小,确定了程序的风险路径和关键数据的选择方法,为设计故障序列提供了依据。故障模型是影响故障注入实验效率和实验结果准确度的关键因素。本文重点研究故障模型生成过程中的两个关键问题,即单粒子故障模式的建立和故障序列的设计方法。首先提出了<故障注入位置,故障注入时间,故障类型,故障掩码>四元单粒子故障模式,建立了实验的故障空间。然后在程序的风险路径和关键数据的基础上,提出了基于故障注入时间和故障注入位置的等价类划分的故障序列生成方法。该方法克服了分层抽样生成的故障序列和随机抽样生成的故障序列的组合爆炸和随意性大的问题。此外,该方法生成的故障序列着重考虑故障注入时间和故障注入位置这两个属性,适用于软件实现故障注入技术,且具有较理想的系统失效率和恶性故障率。最后,为验证上述故障序列生成方法的有效性,本文设计了基于SimpleScalar的故障注入器SimFi,成功地模拟了单粒子故障对目标系统的影响,并验证了该方法的正确性和应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 单粒子效应
• 1.1.2 容错技术
• 1.1.3 故障注入技术
• 1.2 本文主要工作
• 1.3 论文结构
• 第二章 故障注入技术综述
• 2.1 故障注入原理
• 2.1.1 故障及故障类型
• 2.1.2 故障注入原理
• 2.2 故障注入方法
• 2.2.1 基于模拟的故障注入方法
• 2.2.2 基于物理的故障注入方法
• 2.3 故障注入技术的应用
• 2.3.1 覆盖率估计
• 2.3.2 获得延迟时间
• 2.3.3 生成故障字典
• 2.3.4 软件测试
• 2.4 国内外研究现状及发展方向
• 2.4.1 国内外故障注入技术研究现状
• 2.4.2 故障注入技术研究的发展方向
• 第三章 单粒子故障在程序中的传播
• 3.1 单粒子故障对硬件系统的影响
• 3.1.1 单粒子故障对微处理器的影响
• 3.1.2 单粒子故障对内存的影响
• 3.2 故障产生模型
• 3.3 故障传播模型
• 3.3.1 基本定义
• 3.3.2 指令的故障传播分析
• 3.3.3 基本块内的故障传播分析
• 3.3.4 执行路径内的故障传播分析
• 3.3.5 程序内的故障传播分析
• 3.4 程序风险路径和关键数据的选取
• 3.4.1 风险路径的选取
• 3.4.2 关键数据的选取
• 3.5 本章小结
• 第四章 单粒子故障模型的研究
• 4.1 单粒子故障模式
• 4.2 基于等价类划分的故障序列设计
• 4.2.1 单粒子故障发生的特点
• 4.2.2 故障序列设计
• 4.3 故障等价类划分规则
• 4.3.1 指令存储区故障等价类划分规则
• 4.3.2 数据存储区故障等价类划分规则
• 4.3.3 寄存器故障等价类划分规则
• 4.4 故障序列的生成方法
• 4.4.1 基于故障等价类划分的故障序列生成方法
• 4.4.2 基于等价类划分故障序列生成方法的覆盖率估计
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于SIMPLESCALAR 的实验验证
• 5.1 故障传播规律分析
• 5.1.1 选择程序的风险路径
• 5.1.2 选择关键数据
• 5.2 生成故障序列
• 5.2.1 生成指令存储区故障序列
• 5.2.2 生成数据存储区故障序列
• 5.2.3 生成程序计数器的故障序列
• 5.2.4 生成故障序列
• 5.3 基于SIMPLESCALAR 的故障注入器SimFi
• 5.3.2 SimpleScalar 模拟器简介
• 5.3.3 故障注入器Sim Fi 的实现
• 5.4 实验步骤及结果分析
• 5.4.1 实验步骤
• 5.4.2 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录一 示例路径的故障流图
• 附录二 冒泡排序算法的汇编源程序