[发明专利]一种基于重构控制流图的控制流错误检测优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制流错误检测的优化方法，尤其是在空间辐射环境下对由于单粒子效应引起的程序控制流错误进行检测的优化方法。

背景技术

空间探测活动投入大、风险高，对可靠性有着极高的要求。太空中影响空间探测器安全的主要因素是宇宙射线的辐射，因为这些宇宙射线中的高能带电粒子流会使电子器件出现硬件故障。空间辐射环境对电子器件的影响主要表现为单粒子效应。

普通计算机所使用的芯片一般是商用微处理器COTS（Commercial Off-the-Shelf），在空间环境中，为了防止空间辐射的影响，一般使用经过特殊工艺设计与加工的微处理器芯片，即抗辐照器件。抗辐照器件主要通过硬件冗余实现容错，具有很高的可靠性。但是由于其设计非常复杂，研制周期很长，产业规模和产量都很小，价格非常昂贵。由于硬件的冗余，抗辐照器件的芯片面积通常成倍增加，这不仅使芯片成品率下降，也带来了功耗的迅速增长。而且按照这种方式生产出来的抗辐照器件的性能通常落后于同时代的COTS很多代。COTS由于产量很大且使用广泛、经过充分的市场竞争，所以一般性能很高，价格相对较低，且任何国家都无法对其进行封锁和禁运。其缺点是对空间环境比较敏感，容易产生单粒子效应。

计算机发展的历史表明，很多原本用硬件实现的技术同样可以用软件来实现，在COTS上进行面向硬件故障的软件容错可以弥补COTS在容错能力方面的不足。国内外已开展很多实验探讨在空间环境中能否使用以及如何使用COTS。实验结果表明：在COTS上面向硬件故障的软件容错方法所实现的性能，可以比基于抗辐照器件的空间计算机高一个数量级；面向硬件故障的软件容错方法可以有效提高基于COTS的空间计算机的可靠性，能够很好地应对空间辐射的影响，同时还能够使成本降低。

通过与采用抗辐照器件的硬件容错方法比较可以发现，基于COTS的软件容错方法除可靠性方面比硬件容错方法略低之外，在性能、成本、功耗和灵活性方面都拥有巨大的优势。软件容错方法包括故障检测、定位、恢复等过程，其中，故障检测是故障定位及恢复的基础。空间辐射环境中的单粒子效应可能导致星载计算机上的寄存器、存储器、缓存等存储部位出现故障，也可能导致总线、算术逻辑运算单元、指令译码器等功能部件出现故障。这些故障可能致使计算机中的指令序列出现执行顺序错误或者数据错误，前者又称控制流错误。针对数据错误和控制流错误，现有的软件容错方法一般采用不同的故障检测策略分别对其检测。现有的针对控制流错误的软件检测方法大多是采用标签分析的方法，这类方法的基本步骤是：

第一步，为程序构造控制流图。构造控制流图前需要先将程序划分为基本块，基本块是程序中能够顺序执行的指令序列的最大集合，这组指令只有一个入口和一个出口，入口就是第一条指令，出口就是最后一条指令，基本块中除了最后一条指令可能是跳转指令外，其它指令都不能是跳转指令。控制流图是以基本块为结点，以基本块之间存在的跳转关系为边的有向图。划分出基本块后即可根据基本块间固有的控制流关系直接得出控制流图，因此划分基本块是构造控制流图的关键。这一步的具体步骤是：

1.1将程序划分为基本块，构建基本块表。基本块表存放每个基本块的信息，包括基本块编号、入口指令地址和出口指令地址。具体过程为：

1.1.1确定各个基本块的入口指令，它们是：

l      程序的第一条指令；或者

l      条件转移指令或无条件转移指令跳转到的指令；或者

l      紧跟在条件转移指令或函数调用后面的指令；或者

l      被调用函数的第一条指令。

1.1.2 对每个入口指令，确定其对应的出口指令，它们是：

l      入口指令后除当前入口指令外的第一个入口指令前的指令；或者

l      入口指令后的第一个转移指令或函数调用指令；或者

l      程序的结束指令。

1.1.3 分别将每个入口指令和其对应的出口指令之间的程序块划分为一个基本块。为每个基本块分配一个基本块编号，并将基本块编号和入口指令地址、出口指令地址存入基本块表。