專用指令集處理器可靠性評(píng)估技術(shù)研究.pdf

1、深亞微米技術(shù)、日益增加的復(fù)雜性、異構(gòu)綜合和不斷縮短的產(chǎn)品上市時(shí)間等因素，使得專用集成芯片ASIC的設(shè)計(jì)遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。專用指令集處理器ASIP憑借其特有的靈活性不斷地展現(xiàn)著相對(duì)ASIC的優(yōu)勢(shì)，并受到了越來越多的關(guān)注。在ASIP設(shè)計(jì)方法學(xué)中，各種指標(biāo)的評(píng)估是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，它為定制適合于特定應(yīng)用的指令集、設(shè)計(jì)能夠達(dá)到擬定目標(biāo)的執(zhí)行機(jī)制提供了量化依據(jù)。 另一方面，隨著微處理器設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)向低功耗和高性能，電路設(shè)計(jì)的小規(guī)模趨勢(shì)

2、和供電電壓的降低使設(shè)計(jì)有了更多的限制，導(dǎo)致軟錯(cuò)誤的發(fā)生更為頻繁。軟錯(cuò)誤源于高能粒子，通過對(duì)存儲(chǔ)位進(jìn)行瞬時(shí)翻轉(zhuǎn)改變存儲(chǔ)內(nèi)容，進(jìn)而損害處理器的運(yùn)行。因此，ASIP的設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)部件的可靠性已經(jīng)成為了繼性能和功耗之后的又一個(gè)重要的評(píng)估指標(biāo)。本文對(duì)ASIP設(shè)計(jì)環(huán)境中可靠性的評(píng)估方法進(jìn)行了深入的研究，主要的工作和貢獻(xiàn)如下： (1)研究了可靠性評(píng)估機(jī)制，提出了一套適用于ASIP設(shè)計(jì)環(huán)境的可靠性評(píng)估方法。其特點(diǎn)在于： ●以指令的行為作

3、為研究的切入點(diǎn)，從指令集設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)中各種執(zhí)行機(jī)制的運(yùn)用兩方面研究軟錯(cuò)誤在存儲(chǔ)部件中的表現(xiàn)和對(duì)應(yīng)用程序運(yùn)行結(jié)果的影響，并以此作為可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)； ●將存儲(chǔ)部件的可靠性評(píng)估分為兩個(gè)階段：無效指令的搜索階段和量化數(shù)據(jù)信息的采集階段。其思路完全不同于傳統(tǒng)的評(píng)估方法——利用純粹的重復(fù)注錯(cuò)，依靠大量的結(jié)構(gòu)級(jí)仿真獲取軟錯(cuò)誤導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤的概率； ●適用于可重定向的ASIP設(shè)計(jì)環(huán)境。目前還沒有一種ASIP設(shè)計(jì)環(huán)境具有可靠性評(píng)估機(jī)

4、制，本文的研究克服了可重定向性帶給評(píng)估的種種困難，充分利用處理器模型和高層次的仿真器，系統(tǒng)地對(duì)指令行為和部件操作進(jìn)行了分析。 (2)研究了處理器建模及仿真器設(shè)計(jì)技術(shù)。在ASIP設(shè)計(jì)環(huán)境中，評(píng)估屬于承上啟下的中間環(huán)節(jié)，它以仿真器運(yùn)行獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)為輸入信息，其評(píng)估的結(jié)果作為下一次設(shè)計(jì)空間搜索的依據(jù)，因此評(píng)估方法與ASIP設(shè)計(jì)環(huán)境中的許多設(shè)計(jì)模塊關(guān)系密切，這些模塊包括處理器模型及其形式化表示、各個(gè)層次的仿真器等。本文提出一個(gè)三層處理

5、器模型xpMODEL，分別在指令層、抽象資源層和離散事件層進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立的處理器描述。其形式化表示形式xpADL以XML作為元語(yǔ)言，具有很好的結(jié)構(gòu)化特征，完備的描述能力，很強(qiáng)的擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。不僅為處理器模型建立了完整的形式化模板，而且其各模塊的設(shè)計(jì)為可靠性評(píng)估中靜態(tài)信息的抽取提供了有效的機(jī)制，保證了可靠性評(píng)估的可重定向性。功能級(jí)和周期精確的仿真器用于分析體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)可靠性的影響和進(jìn)行評(píng)估的動(dòng)態(tài)信息的采集，由于對(duì)指令的行為和流水化操作的仿

6、真層次較高，性能優(yōu)于結(jié)構(gòu)化仿真，因此使評(píng)估也具有較高的效率。 (3)研究了可靠性評(píng)估在ASIP可重定向的設(shè)計(jì)環(huán)境中的實(shí)現(xiàn)方法。由于在可重定向的設(shè)計(jì)環(huán)境中每次評(píng)估的候選體系結(jié)構(gòu)均有所不同，而這種差異對(duì)于仿真器生成機(jī)制和評(píng)估機(jī)制來說，都是需要自動(dòng)獲取的，即仿真和評(píng)估是在沒有人為干預(yù)的情況下完成的，這是設(shè)計(jì)環(huán)境的可重定向性為評(píng)估帶來的主要挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問題，本文采用靜態(tài)解析和動(dòng)態(tài)運(yùn)行相結(jié)合的方法，從以下三個(gè)方面完成評(píng)估： ●利用與體系

7、結(jié)構(gòu)描述語(yǔ)言相關(guān)的解析技術(shù)和基于指令字的仿真注錯(cuò)的方法分析候選指令集之中指令字的設(shè)計(jì)對(duì)可靠性的影響： ●利用功能級(jí)仿真技術(shù)分析指令流操作的相互依賴關(guān)系，完成特定應(yīng)用對(duì)部件可靠性作用的分析； ●利用周期精確的仿真器研究候選體系結(jié)構(gòu)所采用的各種執(zhí)行機(jī)制和流水線技術(shù)對(duì)存儲(chǔ)部件可靠性的影響，并進(jìn)行評(píng)估所需的量化數(shù)據(jù)信息的采集工作。 由于本文所提出的評(píng)估方法并未局限于特定的體系結(jié)構(gòu)，而且其實(shí)現(xiàn)過程中所需的靜態(tài)解析、仿真等技