【摘要】：現(xiàn)如今,隨著芯片的集成度和設(shè)計規(guī)模的不斷增大,電子系統(tǒng)的設(shè)計和驗證工作變得極其繁瑣,能夠在較高的抽象層次進行快速仿真的虛擬平臺可以極大地改善這類問題,在虛擬平臺上可以對整個電子系統(tǒng)進行快速的建模,并能夠?qū)ζ溥M行高效的評估,而Cache(高速緩存)作為電子系統(tǒng)中重要的組成部分,其可靠性會直接影響整個電子系統(tǒng)的正常工作。因此,在虛擬平臺層面上對容錯Cache進行快速建模,并對Cache的容錯策略進行高效快速且經(jīng)濟的驗證,具有重要的實踐意義。本文選取HVP虛擬平臺作為研究平臺,研究平臺中Cache的結(jié)構(gòu)及工作流程,基于平臺靈活可配置的特點,建模了可包含多種容錯方法的容錯Cache模型,并設(shè)計了相應(yīng)的選擇端口,通過配置端口可以選擇不同容錯方法。通過分析相關(guān)研究人員對存儲單元輻射實驗的結(jié)果,針對故障發(fā)生頻率較高的一位和兩位數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)情況,以分段的奇偶檢驗碼和漢明碼為例,為Cache實現(xiàn)兩種具體的容錯方法,并可以通過配置端口參數(shù),實現(xiàn)兩種容錯方法的自由選擇。為了能夠?qū)ζ脚_中的容錯Cache進行驗證,本文通過分析常見的故障注入方式,結(jié)合平臺的特點設(shè)計了包含三種不同層面的故障注入方法的故障注入平臺。其中,分析指令集模擬器生成工具TRAP Generator,生成擴展指令集的指令集模擬器,實現(xiàn)了指令層面的故障注入方法;建立Cache中的用于故障注入的寄存器,通過配置寄存器的不同參數(shù),實現(xiàn)了寄存器層面的故障注入方法;建模Cache的隨機故障注入單元,實現(xiàn)了模擬故障注入方法。最后,基于此故障注入平臺,分別使用三種故障注入方法,通過設(shè)計相應(yīng)的測試程序,對Cache中的兩種容錯方法分別進行驗證,結(jié)果表明了容錯Cache功能的正確性。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN402;TP333
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文此出現(xiàn)了虛擬平臺的概念，使得傳統(tǒng)的串行開發(fā)模式低效的缺陷得以改善圖 1-1 所示，在虛擬平臺上，硬件設(shè)計人員可以評估系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，軟件人員可以開發(fā)各類應(yīng)用軟件，因此可以協(xié)同進行軟硬件的開發(fā)，使得問題在設(shè)計初期暴露出來，這種并行設(shè)計不僅減少了產(chǎn)品開發(fā)時間，同時極大了芯片成功的概率，較傳統(tǒng)設(shè)計方法要優(yōu)越許多。

組中的 ECC 校驗位，從而提高低可靠性時 Cache 的抗故障能力，如何分配組則由操作系統(tǒng)根據(jù)可靠性級別自適應(yīng)地選擇。為了簡化 ECC 實現(xiàn)，MS-ECC 將高速緩存行劃分為多個小段，并基于每個段校正錯誤，以更精細的粒度執(zhí)行糾錯從而能夠以更低的延遲和復(fù)雜性修復(fù)更多錯誤。為了進一步降低糾錯的邏輯復(fù)雜性，選用正交拉丁方陣碼，比傳統(tǒng)的 ECC 具有更快的編碼和解碼，代價是更多的校驗位。此外，使用模塊化糾錯硬件，可以自適應(yīng)地使用它來糾正不同數(shù)量的錯誤，如在性能與 Cache 容量大小密切相關(guān)的情況下，可以犧牲錯誤糾正功能來增加高速緩存大小。圖 1-2 展示了此容錯 Cache 的示例，將 512 位的Cache 行分為 8 個 64 位的區(qū)域，在圖（b）讀命中時獲取 Cache 相應(yīng)的數(shù)據(jù)行和 ECC 行，對于 8 個段中的每一個，存在單獨的 ECC 解碼器，其通過使用來自數(shù)據(jù)和 ECC 方式的信息并行的進行解碼操作，然后將 8 個單獨的解碼區(qū)域連接起來從而獲得 512 位的經(jīng)過糾錯的正確的數(shù)據(jù)。在圖（c）寫命中時先使用ECC 編碼器來獲取數(shù)據(jù)行的 ECC。與 ECC 解碼器一樣，每個段都有單獨的編碼器，它們并行執(zhí)行 ECC 編碼然后將新數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù) Cache 行，將新 ECC 寫入相應(yīng)的 ECC Cache 行。

簡單的奇偶校驗碼（ParityCode）來檢測所有數(shù)據(jù)中的故障，如果干凈故障，則奇偶校驗碼的檢查結(jié)果將指示 Cache 控制器使故障塊無效并存儲器層級中獲取新的數(shù)據(jù)副本。當臟塊發(fā)生故障時，就不能簡單的存儲器中獲取并覆蓋臟塊，否則會導(dǎo)致臟塊中新信息的丟失，因此，人員使用糾一檢二編碼（Single Error Correcting Double Error DetecDED）來確保臟塊的完整性，當奇偶校驗碼檢測到臟數(shù)據(jù)中的故障DED 代碼將對其進行糾正。此容錯系統(tǒng)的工作原理如圖 1-3 所示，它見的處理步驟：1）當讀或?qū)懺L問命中 Cache 中的塊時，奇偶校驗檢查明被訪問的塊中是否存在故障，如果塊有故障，進入下一步。2）高速器診斷臟位以查看故障塊是干凈還是臟。3）如果故障塊是干凈的，則控制器將從下一級存儲器層次結(jié)構(gòu)中獲取新副本，并用新副本替換故故障塊是臟的，控制器將使用 ECC-Cache 中的 ECC 碼糾正臟塊，然的臟塊重寫到其原始位置。4）當故障被糾正后，讀操作將得到正確的數(shù)作將完成其寫入，之后，新的奇偶校驗碼和 ECC 碼將被計算并分別寫ache 和 ECC-Cache，系統(tǒng)繼續(xù)工作。

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本文編號：2748054