[发明专利]一种双模冗余流水线的自校验及恢复装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微处理器流水线的自校验及恢复装置，尤其涉及一种SPARCV8处理器中流水线的自校验及恢复装置。本发明还涉及一种SPARCV8处理器中流水线中数据翻转错误的屏蔽方法。

背景技术

单粒子翻转(SingleEventUpset，SEU)是在空间应用环境下，由于单粒子入射导致集成电路中存储单元发生数据翻转错误的事件，是空间环境下电子系统发生故障和工作异常的重要诱因之一。随着半导体工艺技术的快速发展，芯片的尺寸在不断减小，处理器工作频率不断提高，节点工作电压的降低使得单粒子翻转现象越来越严重，研究指出，在纳米级芯片中，单粒子翻转导致的多位数据翻转(MBU)概率也在迅速提高。会导致最多8位随机数据翻转错误，对空间应用的电子系统产生更大的危害。在微处理器及电子系统中采取加固措施对SEU故障进行容错设计已成为重要的技术手段。

作为现代微处理器的重要组成部分，流水线主要完成程序代码的指令流执行，并将执行结果写入数据存储和寄存器堆。如果单粒子轰击流水线导致级间寄存器发生翻转或单粒子瞬变(SET)引发的错误数据被锁存，就会导致流水线执行结果不正确，在没有对流水线单元进行容错加固的情况下，错误的执行结果将会扩散到数据存储和寄存器堆或者执行错误的指令流，进而导致更多不可控的错误产生，因此，对于空间应用的高可靠微处理器而言，进行流水线单元的容错设计具有重要的意义。

现有对空间微处理器的加固技术有以下三种方案：采用基于时间的容错方法，能有效解决MBU问题，但是处理器性能大大降低；采用基于编码的容错方法，只能有效的验证计算部分的正确性，并且不同的编码方式针对不同的单粒子故障不能全部处理，容错能力有限；采用基于硬件冗余的方案，寄存器级三模冗余无法应对MBU故障，而流水线级三模冗余可以定位出故障流水线，但是硬件资源功耗等开销较大，流水线级双模冗余可以应对MBU故障，但是无法定位，起不到屏蔽故障的能力，每次都进行流水线回退会显著增加流水线性能开销，尤其是在单粒子故障日益常见的情况下会导致整体处理速度明显降低。

自修复双冗余流水线(Self-RecoveryDualPipeline)，简称SRDP，是综合考虑时间和空间开销的前提下，基于硬件冗余的思想，对传统的流水线级双模冗余结构进行改进，在两条流水线之间设置比较器对流水线单元进行故障检测，利用自校验模块对级间寄存器进行校验定位出故障流水线，根据比较结果和自校验错误信息对流水线进行恢复，以低面积开销实现对单粒子效应引发的SEU、SET和MBU故障进行检测、定位和恢复。在单粒子故障越来越严重的情况下，为避免流水线单元发生故障只能进行回退操作的情况，急需探索对故障流水线进行定位的方法，通过对流水线级间寄存器进行自校验，并根据自校验给出的错误信息用正确流水线的执行状态替换错误流水线，从而降低了流水线的性能开销，提高了处理器的整体性能。

发明内容

本发明的目的在于设计一种双模冗余流水线的自校验及恢复装置与方法，能够对双模冗余结构中流水线级间寄存器进行自校验，根据自校验给出的信息启用流水线恢复，从而对单粒子故障进行容错。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：