[发明专利]基于周期粒度的双冗余流水线级间寄存器备份装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微处理器流水线错误的检测与恢复装置，尤其涉及一种SPARC V8处理器中流水线错误的检测与恢复装置。本发明还涉及一种SPARC V8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(Single Event Upset，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。单粒子轰击流水线的组合逻辑部分，导致信号发生扰动，有可能会被级间寄存器锁存发生SET故障，导致流水线出现错误。单粒子轰击级间寄存器，使其寄存的内容发生翻转，导致SEU和MBU故障。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单粒子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，寄存器级三模冗余时，无法应对MBU故障；流水线级三模冗余，虽然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，起不到屏蔽故障的作用，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-Recovery Dual Pipeline，SRDP)在双冗余流水线的基础上，通过比较逻辑检测故障，自校验逻辑定位故障，实现对SET、SEU、MBU故障导致的错误进行恢复，虽然SRDP对单粒子故障有很好的容错效果，但比较逻辑与功能逻辑的串行、自校验的编码逻辑以及复杂的流水线恢复操作导致处理器的主频下降幅度很大。总之，现有技术无法实现一个以低面积、低性能开销并并有效应对SEU、SET和MBU故障的CPU加固方案。

发明内容

本发明的目的在于设计一种基于周期粒度的双冗余流水线级间寄存器备份装置及方法，能够从系统结构上有效的屏蔽单粒子瞬变(SET)、单粒子翻转(SEU)、多位数据翻转(MBU)导致的故障，并减少逻辑延迟，提高工作速度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于周期粒度的双冗余流水线级间寄存器备份装置，其特征在于：所述基于周期粒度的双冗余流水线级间寄存器备份装置包括功能逻辑A、功能逻辑B、级间寄存器A、级间寄存器B、比较逻辑、备份寄存器、多路选择A和多路选择B；所述功能逻辑A是流水级的功能逻辑执行主体，根据级间寄存器A中的信息执行流水级功能后，给出下一流水级需要寄存到级间寄存器的信息；所述功能逻辑B是流水级的功能逻辑执行主体，根据级间寄存器B中的信息执行流水级功能后，给出下一流水级需要寄存到级间寄存器的信息；所述级间寄存器A用于寄存前一个流水级功能逻辑给出的信息，并将寄存后的信息送入下一流水级的功能逻辑；所述级间寄存器B用于寄存前一个流水级功能逻辑给出的信息，并将寄存后的信息送入下一流水级的功能逻辑；所述比较逻辑设置在流水线A和流水线B之间，比较级间寄存器A和级间寄存器B的信息，用于检测流水线单元的单粒子故障；所述备份寄存器用于定期寄存流水线级间寄存器的信息，在比较逻辑检测出错误后，将备份寄存器的值恢复到两条流水线级间寄存器；所述多路选择A根据比较逻辑给出的错误信息，在功能逻辑A给出的值和备份寄存器的内容之间选出级间寄存器A寄存的信息；所述多路选择B根据比较逻辑给出的错误信息，在功能逻辑B给出的值和备份寄存器的内容之间选出级间寄存器B寄存的信息。