[發明專利]一種程序控制流錯誤檢測方法

有效

• 申請號: 200910226768.X
• 申請日: 2009-12-30
• 公開（公告）號: CN101763291A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發明（設計）人: 譚慶平;徐建軍;寧洪;周會平;李建立;李劍明;羅宇;鄧勝蘭
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06F11/00
• 分類號: G06F11/00;G06F9/45
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 郭敏

技術領域

本發明涉及一種針對程序控制流錯誤的檢測方法，尤其是對在空間輻射環境下由硬件瞬態故障所導致的控制流錯誤進行檢測的方法。?

背景技術

空間探測活動投入大、風險高，對計算可靠性有著極高的要求。太空中影響空間探測器安全的主要因素是宇宙射線的輻射，因為宇宙環境中存在大量包括電子、質子、粒子和重離子在內的高能粒子，當由這些粒子構成的宇宙射線轟擊航天計算機的半導體電路時，就可能導致PN結構中的存儲電量發生瞬態變化，這種瞬態故障通常也被稱為單粒子效應SEE(Single?Event?Effect)。雖然單粒子效應一般不會對硬件設備造成持久傷害，但是卻可以通過改變傳輸信號和存儲單元值等方式影響系統的正常運行，嚴重時甚至會造成系統崩潰，所以一直是航天計算機所面臨的最主要威脅之一。而現代處理器逐步采用深亞微米制造工藝，在性能得到大幅提高的同時，處理器對于能引起瞬態故障的各種噪聲干擾也變得越來越敏感，同時單芯片所集成的晶體管數呈指數級增長，也使得芯片整體的瞬態故障率快速增加。當前，在繼性能和功耗之后，瞬態故障所導致的處理器可信性問題已日益成為業界關注的熱點。?

硬件瞬態故障對系統可靠性影響的具體體現可分為數據流錯誤和控制流錯誤。數據流錯誤主要指故障影響應用程序使用的寄存器和存儲器中的數據等；而控制流錯誤指的是故障改變了程序正常執行軌跡，例如一條存儲指令被SEE篡改成分支指令，無條件跳轉指令的目標地址被瞬態故障臨時修改。當發生控制流錯誤后，程序行為會變得復雜且難以預測：有時由于執行了非法的指令而被操作系統或底層硬件檢測出，也有可能導致程序進入死循環，最壞的情況是程序正常退出而執行結果卻是錯誤的。以往的實際經驗和各種故障注入實驗結果表明，控制流錯誤占瞬態故障所引起的各種系統錯誤總數的33％～77％。所以，對于航天計算機這樣的高可靠計算機系統來說，必須具備一定的控制流錯誤檢測能力。?

在空間環境中，為了防止空間輻射的影響，航天計算機一般使用經過特殊硬件工藝?設計與加工的抗輻照器件。抗輻照器件通過硬件冗余實現容錯，具有很高的可靠性，能夠有效解決空間輻射所導致的硬件瞬態故障問題。但是抗輻照器件設計非常復雜、研制周期長、產業規模和產量都很小、價格非常昂貴，而且抗輻照器件的性能通常落后于同時代的商用器件COTS(Commercial?Off-The-Shelf)很多代。此外，目前專門針對控制流錯誤也已提出一些通過改造硬件實現的檢測技術，例如Watchdog輔助處理器技術。Watchdog技術先對程序的控制流結構進行分析，并為這種高層結構附上標簽，然后由Watchdog處理器在運行時監測主處理器產生的總線事務。但是這種技術對于具有緩存的現代主處理器無法使用，除非協處理器是主處理器的一部分。總的來說，基于硬件實現的容錯技術或需要修改硬件的體系結構，或要開發和配置具有檢錯能力的專門設備，實現成本太高是主要問題。?

計算機發展的歷史表明，很多原本用硬件實現的方法同樣可以用軟件來實現，在COTS微處理器上，通過實現面向硬件瞬態故障的軟件容錯技術可以彌補COTS器件在容錯能力方面的不足。國內外已經開展很多實驗探討在空間環境中應用COTS處理器，結果表明：面向硬件故障的軟件容錯方法可以有效提高基于COTS器件的空間計算機的可靠性，能夠很好地應對空間輻射的影響，同時在COTS器件上利用軟件容錯方法所實現的性能可以比抗輻照器件高一個數量級，而成本卻要降低一個數量級。所以，隨著計算機硬件資源的極大豐富，以犧牲部分性能來換取較高的可靠性已成為可能，并且軟件容錯方法在成本、功耗和靈活性方面都有擁有巨大的優勢。實際上，基于COTS器件的軟件容錯方法目前已經成為各國航天領域的核心機密技術之一！?