【摘要】：隨著集成電路等半導(dǎo)體制作工藝的迅速發(fā)展,微處理器等芯片的尺寸越來越小,性能也隨之增高,但是對電磁輻射等外界環(huán)境也越來越敏感。惡劣環(huán)境易引發(fā)嵌入式系統(tǒng)軟硬件故障,可能會造成硬件永久失效,也可能使某些部件瞬時失效。瞬時故障可能會產(chǎn)生軟錯誤,使得嵌入式軟件的可靠性受到嚴(yán)重影響。針對現(xiàn)有的檢測技術(shù)還存在諸多檢測盲點,檢測率還有待提高等問題,本文對現(xiàn)有的軟件加固技術(shù)進行了分析,對控制流錯誤檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)流錯誤檢測技術(shù)進行了深入研究。論文主要研究工作如下:1)采用基本塊和標(biāo)簽技術(shù)描述程序的控制流,設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于動靜標(biāo)簽的程序控制流錯誤檢測機制。該機制可以有效地檢測出程序基本塊之間和基本塊內(nèi)部的控制流錯誤。與一般控制流錯誤檢測方法相比,本文設(shè)計的方法具有可以在當(dāng)前基本塊發(fā)現(xiàn)錯誤的優(yōu)點。該機制通過動靜結(jié)合的標(biāo)簽分配和插入檢測斷言實現(xiàn)錯誤檢測,且在基本塊中可靈活配置標(biāo)簽及檢測斷言,進一步還給出了性能優(yōu)化方法。2)針對軟件數(shù)據(jù)流錯誤問題,本文研究了冗余復(fù)制技術(shù),考慮數(shù)據(jù)的差異性,設(shè)計了一種面向源代碼級的程序數(shù)據(jù)流錯誤檢測機制。該機制的特點是冗余復(fù)制范圍僅限于活躍數(shù)據(jù),可減少數(shù)據(jù)運算操作的冗余開銷,進一步給出了錯誤處理方案以及減少性能消耗的優(yōu)化方法。3)設(shè)計并初步實現(xiàn)了軟錯誤的模擬方案,搭建了一個故障注入平臺。4)設(shè)計并初步實現(xiàn)了一個面向惡劣環(huán)境的軟件錯誤檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)測試實驗表明,實現(xiàn)的面向惡劣環(huán)境的軟件錯誤檢測系統(tǒng),具有基本塊分析、控制流檢測、變量分析、數(shù)據(jù)流檢測等功能。系統(tǒng)具有較高的檢測率和可接受的性能消耗。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP311.53
【圖文】：

0510BS QS MM圖 3.10 程序失效率制流錯誤檢測算法的實現(xiàn)需要對程序中添加冗余代碼，由此會產(chǎn)生額外的存儲空間和能開銷增大。存儲開銷，由加入檢測算法后的程序大小與原程序大小來確定；時間開測算法后的程序?qū)嶋H運行時間與原程序運行時間來確定。 3.11 表示了 RSCFC，CFCSS，SCFD 三個算法的時間開銷和存儲開銷。從圖 3.11 中CFD 算法的平均時間開銷約為 48%，平均存儲開銷約為 58%，而 RSCFC 算法的平均 57%，平均存儲開銷約為 60%，CFCSS 算法的平均時間開銷約為 46%，平均存儲開RSCFC 的添加的指令運算復(fù)雜，故性能開銷大；SCFD 的性能開銷略高于 CFCSS，低檢測延時性。由此可見，本文設(shè)計的控制流錯誤檢測算法 SCFD 有著較高的軟錯誤定程度上減少了性能開銷。

}if（！condition）//重復(fù)判斷條件error（）；}圖 4.2 Thor 檢測示例.2 數(shù)據(jù)流特征分析源代碼程序中的語句主要有兩個類型，表達式語句和控制語句。如果表達式語句出現(xiàn)了軟錯序會發(fā)生計算錯誤，使得應(yīng)用輸出錯誤。當(dāng)軟錯誤發(fā)生在控制語句時，條件運算出錯，使程序能運行到錯誤分支，而導(dǎo)致程序得到錯誤的結(jié)果。為了解決這些問題，本文提出一種程序數(shù)據(jù)誤檢測方法在源代碼級對數(shù)據(jù)變量通過設(shè)置的靜態(tài)標(biāo)簽與其異或運算引入數(shù)據(jù)差異性，將運算作為原變量的副本備份，在代碼中使用變量之前插入檢測代碼，進行變量的數(shù)據(jù)錯誤檢測。根錯誤在系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障率[64-66]，我們認(rèn)為在程序的一次運行中，硬件系統(tǒng)僅僅發(fā)生一次軟錯本文方法主要針對程序中的變量，需要分析變量的特征。在源碼級，數(shù)據(jù)變量的操作主要有和引用兩種形式[68]。定值是指該語句運行后會改變變量的值，則該語句為定值操作。引用是指句運行后會使用到變量但是不改變它的值，則該語句為引用操作。如圖 4.3 所示程序中所有的都存在一個生命周期，其中包括變量活躍區(qū)間，變量死亡區(qū)間。

面向惡劣環(huán)境的嵌入式軟件錯誤檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。為了檢測數(shù)據(jù)錯誤，本文方法通過添加冗余代碼實現(xiàn)，由此帶來了額外的運行時間與存儲開銷通過比對原程序文件和加入了檢測算法后的程序文件的大小來確定；性能開銷通過序統(tǒng)計運行時間并求其平均值來確定。圖 4.10 為本文設(shè)計的數(shù)據(jù)流檢測算法 DLD 與其檢測算法的性能開銷對比，DLD 存儲開銷約為 130%，運行時間開銷約為 95%。DLD 的于 ThoR，ThoR 的存儲開銷約為 289%，時間開銷約為 262%。ThoR 和 DLD 都是源代碼測方法，ThoR 不僅要復(fù)制變量，還要進行冗余計算，DLD 僅考慮活躍變量。DLD 的性 EDDI，EDDI 的存儲開銷約為 120%，時間開銷約為 74%。EDDI 是指令級實現(xiàn)的檢測譯器和具體的平臺要求較高，實現(xiàn)繁瑣，而源代碼級實現(xiàn)的方法具有平臺無關(guān)性，有較性和擴展性。由此可見本文設(shè)計的數(shù)據(jù)流檢測算法 DLD 有著較好的軟錯誤檢測能力且降低性能開銷。

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