[發明專利]基于周期粒度的雙冗余流水線級間寄存器備份裝置及方法

在審

• 申請號: 201710544256.2
• 申請日: 2017-07-05
• 公開（公告）號: CN107168826A
• 公開（公告）日: 2017-09-15
• 發明（設計）人: 朱曉燕;張偉功;申嬌;王晶;尚媛園
• 申請（專利權）人: 首都師范大學
• 主分類號: G06F11/14
• 分類號: G06F11/14;G06F9/30
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種微處理器流水線錯誤的檢測與恢復裝置，尤其涉及一種SPARC V8處理器中流水線錯誤的檢測與恢復裝置。本發明還涉及一種SPARC V8處理器中流水線中數據翻轉錯誤的屏蔽方法。

背景技術

單粒子翻轉(Single Event Upset，SEU)是在空間應用環境下，由于單粒子入射導致集成電路中存儲單元發生數據翻轉錯誤的事件，是空間環境下電子系統發生故障和工作異常的重要誘因之一。隨著半導體工藝技術的快速發展，芯片的尺寸在不斷減小，處理器工作頻率不斷提高，節點工作電壓的降低使得單粒子翻轉現象越來越嚴重。單粒子轟擊流水線的組合邏輯部分，導致信號發生擾動，有可能會被級間寄存器鎖存發生SET故障，導致流水線出現錯誤。單粒子轟擊級間寄存器，使其寄存的內容發生翻轉，導致SEU和MBU故障。研究指出，在納米級芯片中，單粒子翻轉導致的多位數據翻轉(MBU)概率也在迅速提高，會導致最多8位隨機數據翻轉錯誤，對空間應用的電子系統產生更大的危害。在微處理器及電子系統中采取加固措施對單粒子故障進行容錯設計已成為重要的技術手段。

作為現代微處理器的重要組成部分，流水線主要完成程序代碼的指令流執行，并將執行結果寫入數據存儲和寄存器堆。如果單粒子轟擊流水線導致級間寄存器發生翻轉引發的錯誤數據被鎖存，就會導致流水線執行結果不正確，在沒有對流水線單元進行容錯加固的情況下，錯誤的執行結果將會擴散到數據存儲和寄存器堆或者執行錯誤的指令流，進而導致更多不可控的錯誤產生。因此，對于空間應用的高可靠微處理器而言，進行流水線單元的容錯設計具有重要的意義。

現有對空間微處理器的加固技術有以下三種方案：采用基于時間的容錯方法，能有效解決MBU問題，但是處理器性能大大降低；采用基于編碼的容錯方法，只能有效的驗證計算部分的正確性，并且不同的編碼方式針對不同的單粒子故障不能全部處理，容錯能力有限；采用基于硬件冗余的方案，寄存器級三模冗余時，無法應對MBU故障；流水線級三模冗余，雖然可以定位出故障流水線，但是硬件資源功耗等開銷較大；流水線級雙模冗余可以應對MBU故障，但是無法定位，起不到屏蔽故障的作用，每次都進行流水線回退會顯著增加流水線性能開銷，尤其是在單粒子故障日益常見的情況下會導致整體處理速度明顯降低。自修復雙冗余流水線(Self-Recovery Dual Pipeline，SRDP)在雙冗余流水線的基礎上，通過比較邏輯檢測故障，自校驗邏輯定位故障，實現對SET、SEU、MBU故障導致的錯誤進行恢復，雖然SRDP對單粒子故障有很好的容錯效果，但比較邏輯與功能邏輯的串行、自校驗的編碼邏輯以及復雜的流水線恢復操作導致處理器的主頻下降幅度很大。總之，現有技術無法實現一個以低面積、低性能開銷并并有效應對SEU、SET和MBU故障的CPU加固方案。

發明內容

本發明的目的在于設計一種基于周期粒度的雙冗余流水線級間寄存器備份裝置及方法，能夠從系統結構上有效的屏蔽單粒子瞬變(SET)、單粒子翻轉(SEU)、多位數據翻轉(MBU)導致的故障，并減少邏輯延遲，提高工作速度。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：

一種基于周期粒度的雙冗余流水線級間寄存器備份裝置，其特征在于：所述基于周期粒度的雙冗余流水線級間寄存器備份裝置包括功能邏輯A、功能邏輯B、級間寄存器A、級間寄存器B、比較邏輯、備份寄存器、多路選擇A和多路選擇B；所述功能邏輯A是流水級的功能邏輯執行主體，根據級間寄存器A中的信息執行流水級功能后，給出下一流水級需要寄存到級間寄存器的信息；所述功能邏輯B是流水級的功能邏輯執行主體，根據級間寄存器B中的信息執行流水級功能后，給出下一流水級需要寄存到級間寄存器的信息；所述級間寄存器A用于寄存前一個流水級功能邏輯給出的信息，并將寄存后的信息送入下一流水級的功能邏輯；所述級間寄存器B用于寄存前一個流水級功能邏輯給出的信息，并將寄存后的信息送入下一流水級的功能邏輯；所述比較邏輯設置在流水線A和流水線B之間，比較級間寄存器A和級間寄存器B的信息，用于檢測流水線單元的單粒子故障；所述備份寄存器用于定期寄存流水線級間寄存器的信息，在比較邏輯檢測出錯誤后，將備份寄存器的值恢復到兩條流水線級間寄存器；所述多路選擇A根據比較邏輯給出的錯誤信息，在功能邏輯A給出的值和備份寄存器的內容之間選出級間寄存器A寄存的信息；所述多路選擇B根據比較邏輯給出的錯誤信息，在功能邏輯B給出的值和備份寄存器的內容之間選出級間寄存器B寄存的信息。