專用指令集處理器可靠性評估技術(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)品上市時間等因素，使得專用集成芯片ASIC的設(shè)計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ASIC的優(yōu)勢，并受到了越來越多的關(guān)注。在ASIP設(shè)計方法學(xué)中，各種指標的評估是一個十分重要的環(huán)節(jié)，它為定制適合于特定應(yīng)用的指令集、設(shè)計能夠達到擬定目標的執(zhí)行機制提供了量化依據(jù)。 另一方面，隨著微處理器設(shè)計目標轉(zhuǎn)向低功耗和高性能，電路設(shè)計的小規(guī)模趨勢

2、和供電電壓的降低使設(shè)計有了更多的限制，導(dǎo)致軟錯誤的發(fā)生更為頻繁。軟錯誤源于高能粒子，通過對存儲位進行瞬時翻轉(zhuǎn)改變存儲內(nèi)容，進而損害處理器的運行。因此，ASIP的設(shè)計中，存儲部件的可靠性已經(jīng)成為了繼性能和功耗之后的又一個重要的評估指標。本文對ASIP設(shè)計環(huán)境中可靠性的評估方法進行了深入的研究，主要的工作和貢獻如下： (1)研究了可靠性評估機制，提出了一套適用于ASIP設(shè)計環(huán)境的可靠性評估方法。其特點在于： ●以指令的行為作

3、為研究的切入點，從指令集設(shè)計和體系結(jié)構(gòu)中各種執(zhí)行機制的運用兩方面研究軟錯誤在存儲部件中的表現(xiàn)和對應(yīng)用程序運行結(jié)果的影響，并以此作為可靠性評估的基礎(chǔ)； ●將存儲部件的可靠性評估分為兩個階段：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)的評估方法——利用純粹的重復(fù)注錯，依靠大量的結(jié)構(gòu)級仿真獲取軟錯誤導(dǎo)致系統(tǒng)運行錯誤的概率； ●適用于可重定向的ASIP設(shè)計環(huán)境。目前還沒有一種ASIP設(shè)計環(huán)境具有可靠性評估機

4、制，本文的研究克服了可重定向性帶給評估的種種困難，充分利用處理器模型和高層次的仿真器，系統(tǒng)地對指令行為和部件操作進行了分析。 (2)研究了處理器建模及仿真器設(shè)計技術(shù)。在ASIP設(shè)計環(huán)境中，評估屬于承上啟下的中間環(huán)節(jié)，它以仿真器運行獲得的各項數(shù)據(jù)為輸入信息，其評估的結(jié)果作為下一次設(shè)計空間搜索的依據(jù)，因此評估方法與ASIP設(shè)計環(huán)境中的許多設(shè)計模塊關(guān)系密切，這些模塊包括處理器模型及其形式化表示、各個層次的仿真器等。本文提出一個三層處理

5、器模型xpMODEL，分別在指令層、抽象資源層和離散事件層進行相對獨立的處理器描述。其形式化表示形式xpADL以XML作為元語言，具有很好的結(jié)構(gòu)化特征，完備的描述能力，很強的擴展性等優(yōu)點。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)計為可靠性評估中靜態(tài)信息的抽取提供了有效的機制，保證了可靠性評估的可重定向性。功能級和周期精確的仿真器用于分析體系結(jié)構(gòu)設(shè)計對可靠性的影響和進行評估的動態(tài)信息的采集，由于對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，因此使評估也具有較高的效率。 (3)研究了可靠性評估在ASIP可重定向的設(shè)計環(huán)境中的實現(xiàn)方法。由于在可重定向的設(shè)計環(huán)境中每次評估的候選體系結(jié)構(gòu)均有所不同，而這種差異對于仿真器生成機制和評估機制來說，都是需要自動獲取的，即仿真和評估是在沒有人為干預(yù)的情況下完成的，這是設(shè)計環(huán)境的可重定向性為評估帶來的主要挑戰(zhàn)。針對這一問題，本文采用靜態(tài)解析和動態(tài)運行相結(jié)合的方法，從以下三個方面完成評估： ●利用與體系

7、結(jié)構(gòu)描述語言相關(guān)的解析技術(shù)和基于指令字的仿真注錯的方法分析候選指令集之中指令字的設(shè)計對可靠性的影響： ●利用功能級仿真技術(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)行機制和流水線技術(shù)對存儲部件可靠性的影響，并進行評估所需的量化數(shù)據(jù)信息的采集工作。 由于本文所提出的評估方法并未局限于特定的體系結(jié)構(gòu)，而且其實現(xiàn)過程中所需的靜態(tài)解析、仿真等技