（计算机系统结构专业论文）专用指令集处理器可靠性评估技术研究.pdf

摘要 深亚微米技术、日益增加的复杂性、异构综合和不断缩短的产品上市时间等 因素，使得专用集成芯片a s i c 的设计遇到了前所未有的挑战。专用指令集处 理器a s i p 凭借其特有的灵活性不断地展现着相对a s i c 的优势，并受到了越来 越多的关注。在a s i p 设计方法学中，各种指标的评估是一个十分重要的环节， 它为定制适合于特定应用的指令集、设计能够达到拟定目标的执行机制提供了 量化依据。 ， 另一方面，随着微处理器设计目标转向低功耗和高性能，电路设计的小规模 趋势和供电电压的降低使设计有了更多的限制，导致软错误的发生更为频繁。 软错误源于高能粒子，通过对存储位进行瞬时翻转改变存储内容，进而损害处 理器的运行。因此，a s i p 的设计中。存储部件的可靠性已经成为了继性能和功 耗之后的又一个重要的评估指标。本文对a s i p 设计环境中可靠性的评估方法进 行了深入的研究，主要的工作和贡献如下： ( 1 ) 研究了可靠性评估机制，提出了一套适用于a s i p 设计环境的可靠性 评估方法。其特点在于： 以指令的行为作为研究的切入点，从指令集设计和体系结构中各种执行机制 的运用两方面研究软错误在存储部件中的表现和对应用程序运行结果的影 响，并以此作为可靠性评估的基础： 将存储部件的可靠性评估分为两个阶段：无效指令的搜索阶段和量化数据信 息的采集阶段。其思路完全不同于传统的评估方法利用纯粹的重复注 错，依靠大量的结构级仿真获取软错误导致系统运行错误的概率； 适用于可重定向的a s i p 设计环境。目前还没有一种a s i p 设计环境具有可 靠性评估机制，本文的研究克服了可重定向性带给评估的种种困难，充分利 用处理器模型和高层次的仿真器，系统地对指令行为和部件操作进行了分 析。 ( 2 ) 研究了处理器建模及仿真器设计技术。在a s i p 设计环境中，评估属 于承上启下的中间环节，它以仿真器运行获得的各项数据为输入信息，其评估 的结果作为下一次设计空间搜索的依据，因此评估方法与a s i p 设计环境中的许 多设计模块关系密切，这些模块包括处理器模型及其形式化表示、各个层次的 仿真器等。本文提出一个三层处理器模型x p m o d e l ，分别在指令层、抽象资 源层和离散事件层进行相对独立的处理器描述。其形式化表示形式x p a d l 以 x m l 作为元语言，具有很好的结构化特征，完备的描述能力，很强的扩展性等 优点。不仅为处理器模型建立了完整的形式化模板，而且其各模块的设计为可 靠性评估中静态信息的抽取提供了有效的机制，保证了可靠性评估的可重定向 性。功能级和周期精确的仿真器用于分析体系结构设计对可靠性的影响和进行 评估的动态信息的采集，由于对指令的行为和流水化操作的仿真层次较高，性 能优于结构化仿真，因此使评估也具有较高的效率。 ( 3 ) 研究了可靠性评估在a s i p 可重定向的设计环境中的实现方法。由于 在可重定向的设计环境中每次评估的候选体系结构均有所不同，而这种差异对 于仿真器生成机制和评估机制来说，都是需要自动获取的，即仿真和评估是在 没有人为干预的情况下完成的，这是设计环境的可重定向性为评估带来的主要 挑战。针对这一问题，本文采用静态解析和动态运行相结合的方法，从以下三 个方面完成评估： 利用与体系结构描述语言相关的解析技术和基于指令字的仿真注错的方法 分析候选指令集之中指令字的设计对可靠性的影响： 利用功能级仿真技术分析指令流操作的相互依赖关系，完成特定应用对部件 可靠性作用的分析； 利用周期精确的仿真器研究候选体系结构所采用的各种执行机制和流水线 技术对存储部件可靠性的影响，并进行评估所需的量化数据信息的采集工 作。 由于本文所提出的评估方法并未局限于特定的体系结构，而且其实现过程中 所需的静态解析、仿真等技术在当今的各种a s i p 设计环境中均可以完成，因此 该方法具有广阔的应用前景。 关键宇：专用指令集处理器； 可重定向的设计环境；软错误：体系结构 易受损因子；可靠性评估 本文工作得到国家自然科学基金( 6 0 2 7 3 0 4 2 ) 、安徽省自然科学基金 ( 0 7 0 4 1 2 0 3 0 ) 和高校博士学科点专项基金( 2 0 0 5 0 3 5 8 0 4 0 ) 支持，在此表示感 谢。 a b s t r a c t s u c hf a c t o r sa sd e e p s u b m i c r o ne f f e c t s , m o r ea n dm o r ec o m p l e x i t y , u r g e n td e m a n d o nt i m e - t o - m a r k e tn l a k ea s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ，a s i c ) f a c e g r e a tc h a l l e n g e a s i p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n s t r u c t i o ns e tp r o c e s s o r a s i p ) h a s p r o v e di t ss u p e r i o r i t yt oa s i ci ns p e c i a lf l e x i b i l i t y , a n dg e t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nr e s e a r c hf i e l d i nt h em e t h o d o l o g yo f a s i p , a t t r i b u t ee v a l u a t i o ni sa l li n d i s p e n s a b l e s t e p i tp r o v i d e ss t a t i s t i c s f o rt h ed e s i g no fi n s t r u c t i o ns e ta n dt h ee x e c u t i o n t e c h n i q u e si nt a r g e ta r c h i t e c t u r e o nt h eo t h e rh a n d , w i t ht h ed e s i g ng o a lt u m i n gt o w a r d sl o wp o w e r c o n s u m p t i o na n d h i g hp e r f o r m a n c e t e n d e n c yo fs m a l l - s c a l ec i r c u i td e s i g na n dr e d u c t i o no fs u p p l y v o l t a g em a k em o r er e s t r i c t i o no np r o c e s s o rd e s i g n t h i sl e a d st om o r ef r e q u e n t o c c u r r e n c eo fs o f te r r o r s o f te r r o ri sg e n e r a t e db yh i g h - e n e r g yp a r t i c l e s i tc a n c h a n g et h em e m o r yc o n t e n t sb yi n v e r t i n gs t o r a g eb i t s a n dt h u st od oh a r mt o p r o c e s s o rr u n n i n g n o w a d a y s ，i na d d i t i o nt op e r f o r m a n c ea n dp o w e rc o n s u m p t i o n , r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no f s t o r a g eu n i t sh a sb 4 ) m ea n o t h e ri m p o r t a n ta t t r i b u t ei na s i p d e s i g n t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e sd e e pr e s e a r c ho nr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o do f s t o r a g eu n i ti t l a s 【p 1 1 1 em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o na r e ： ( 1 ) m a k er e s e a r c ho nr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d , a n dp r e s e n tan o v e lm e t h o dt h a t i ss u i t a b l et oa s i pd e s i g ne n v i r o n m e n t t h ec h a r a c t e ro f t h i sm e t h o da r e ： i ts t a r t st h er e s e a r c ha ti n s t r u c t i o nb e h a v i o r , a n da n a l y z e st h ee f f e c t sm a d eb y s o f te r r o ro ns t o r a g eu n i t si nt w oa s p e c t s ：i n s t r u c t i o ns e td e s i g na n de x e c u t i o n m e c h a n i s md e s i g n ； i td i v i d e st h ee v a l u a t i o np r o c e s si n t ot w op h a s e s i i lt h ef i r s tp h a s e i n e f f e c t i v e i n s t r u c t i o n sa r ee x p l o r e d i nt h es e c o n dp h a s e s t a t i s t i c a li n f o r m a t i o ni sc o l l e c t e d b e i n gd i f f e r e n t 丘o mt r a d i t i o n a lm e t h o d s t h ee v a l u a t i o nm e t h o dp r e s e n t e di nt h i s d i s s e r t a t i o nd o e s n tt a k et i m e so fs t r u c t u r e - l e v e ls i m u l a t i o nt oc o m p u t et h e p r o b a b i l i t yt h a tas o re r r o rc 缸a f f e c tt h ep r o c e s s o rr u n n i n g i tc a nb ea p p l i e di nr e t a r g e t a b l ea s i pd e s i g ne n v i r o n m e n t n o w a d a y s t h e r eh a s n o tb e e nas o p h i s t i c a t e dr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e c h a n i s mt h a tc a nb eu t i l i z e db y a s i pd e s i g ne n v i r o n m e n t n 圯m e t h o dp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o no v e r c o m e s t h em a i nd i f f i c u l t i e sb r o u g h tb yr e t a r g e t a b i l i t y i tm a k e sf u l lu s eo fp r o c e s s o r a b s t r a c t m o d e la n dh i g h - l e v e ls i m u l a t o r , a n da n a l y z e st h ei n s t r u c t i o nb e h a v i o ra n d o p e r a t i o no n u n i t ss y s t e m a t i c a l l y ( 2 ) m a k er e s e a r c h o nt h e t e c h n i q u e o fp r o c e s s o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t o r i m p l e m e n t a t i o n e v a l u a t i o nc a nb es e e na sam i d d l es t a g ei nt h ea s i pd e s i g n i t t a k e si n p u td a t af r o ms i m u l a t o r t h ee v a l u a t i o nr e s u l t sa u s e df o rn e x tt i m eo f d e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o n t h e r e f o r e ，e v a l u a t i o nm e t h o dh a sc l o s er e l a t i o n s h i p w i t hm a n ys t a g e si na s i pd e s i g ne n v i r o n m e n t , i n c l u d i n gp r o c e s s o rm o d e l ，i t s f o r m a lr e p r e s e n t a t i o n , a n ds i m u l a t i o no nd i f f e r e n tl e v e l s t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t sat h r e e - l e v e lm o d e lw h i c hm o d e l sa s i pa ti n s t r u c t i o nl e v e l ，a b s t r a c t r e s o u r o el e v e la n dd i s c r e t ee v e n tl e v e l t h ef o r m a lr e p r e s e n t a t i o nx p a d lt a k e s x m la si t sm e t a - l a n g u a g ea n dh a sg r e a ts t r u c t u r ec h a r a c t e r , c o m p l e t ed e s c r i p t i o n a b i l i t ya n ds t r o n gf l e x i b i l i t y i tp r o v i d e si n t e g r a t ef o r m a lt e m p l a t ef o rp r o c e s s o r m o d e l ，a n do f f e r sc o r r e s p o n d i n gm e c h a n i s mf o rs t a t i ci n f o r m a t i o ne x t r a c t i o ni n r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n , t h u s t oe n s u r et h e r e t a r g e t a b i l i t y o fe v a l u a t i o n - f u n c t i o n - l e v e la n dc y c l e a c c u r a t es i m u l a t o r sa l eu s e dt oa n a l y z et h ea r c h i t e c t u r e d e s i g n se f f e c t so nr e l i a b i l i t yo fs t o r a g eu n i t s t h e ya r ea l s ou s e dt oc o l l e c t d y n a m i cd a t ai n f o r n m t i o ni ne v a l u a t i o n b e c a u s et h ep e r f o r m a n c eo fh i g h - l e v e l s i m u l a t i o ni ss u p e r i o rt ot h a to fs t r u c t u r e - l e v e lo n e , t h i sm e t h o dh a sb e t t e r e v a l u a t i o ne f f i c i e n c y ( 3 ) m a k er e s e a r c ho ni m p l e m e n t a t i o nt e c h n i q u e so fe v a l u a t i o nm e t h o di na s 口 d e s i g ne n v i r o n m e n t e v e r yt i m eo fd e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o ni na s i p , t h e c a n d i d a t ea r c h i t e c t u r e sa r ed i f f e r e n t t l l i sd i f f e r e n c es h o u l db ea t t a i n e db y s i m u l a t o rg e n e r a t o ra n de v a l u a t i o nm e c h a n i s m ，a n di t st h em o s tc h a l l e n g i n gt a s k i nr e t a r g e t a b l ee v a l u a t i o ma i m i n ga tr e s o l v i n gt h ep r o b l e m , t h i sd i s s e r t a t i o n c o m b i n e ss t a t i ca n a l y s i sm e t h o da n dd y n a m i cr u l m i l l gm e t h o d , a n dc o m p l e t e s e v a l u a t i o ni nt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： i tm a k e su s eo ft h ea n a l y s i st e c h n i q u er e l a t e dt 0a r c h i t e c t u r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g ea n d e c t i o n f a u l tm e t h o db a s e do ni n s t r u c t i o nt oa n a l y z et h e i n s t r u c t i o nw o r d se f f e c t so nr e l i a b i l i t yo f s t o r a g eu n i t s ； i tu s e sf u n c t i o n a ls i m u l a t o rt oa n a l y z et h ei n s t r u c t i o no p e r a t i o nd e p e n d e n c y , t h u s t os t u d ya p p l i c a t i o n se f f e c t so nr e l i a b i l i t yo f s t o r a g eu n i t s ； i tu s e sc y c l e a c c u r a t es i m u l a t o rt os t u d yt h ee x e c u t i o nm e c h a n i s ma n dp i p e l i n e v a b m a c t t e c h n i q u e si nc a n d i d a t ea r c h i t e c t u r e ，a n d t oc o l l e c ts t a d s t i c a ld a t ai n f o r m a t i o no f e v a l u a t i o 也 i na d d i t i o n , t h em e t h o dp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni sn o tr e s t r i c t e dt os p e c i f i c a r c h i t e c t u r e ，a n da l lt h et e c h n i q u e st h a ti m p l e m e n tt h i sm e t h o dc a nb ep e r f o r m e di n d i f f e r e n tk i n d so fa s i pd e s i g ne n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，t h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n m e t h o dh a sw i d ea p p l i c a t i o np e r s p e c t i v e k e y w o r d s ：a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n s u u c t i o ns e tp r o e e s s o r ( a s l p ) ；r e t a r g e t a b l e d e s i g ne n v i r o n m e n , s o f te r r o r ；a r c h i t e c t m a lv u l n e m b i l i t yf a c t o r ( a v f ) ；r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni s s u p p o r t e db yn a t i o n a l n a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o n o f c h i n a ( 6 0 2 7 3 0 4 2 ) ，n a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fa n h u ip r o v i n c eo f c h i n a ( 0 7 0 4 1 2 0 3 0 ) a n dr e s e a r c hf u n df o rt h ed o c t o r a lp r o g r a mo f h i g h e re d u c a t i o n o f c h i n a ( 2 0 0 5 0 3 5 8 0 4 0 ) t h a n k sf o rt h e i rs u p p o r t s v i 图目录 图目录 图1 1a s 疋设计流程。3 图1 - 2 可重定向的设计环境5 图1 3 海拔高度对中子流量的影响7 图1 4 纬度对中子流量的影响。7 图l - 5 软错误分类8 图2 - 1 ：v f 对s d cf i t 的影响1 3 图3 1x p m o d e l 结构图2 0 图3 - 2d l x 流水线结构2 3 图3 - 3 利用1 b e f s m 描述d l x 的a d d 指令行为2 3 图3 4m e f s m 中的指令调度2 5 图3 - 5 周期精确仿真器组织结构图2 9 图3 - 6 仿真器x p s i m 组织结构图3 1 图4 - ln o p 指令的= 进制表示3 6 图4 2 指令格式“ 图5 - 1 可靠性评估方法5 2 图5 - 2 可靠性评估流程5 3 图5 - 3 第一类静态无效指令解析5 9 图5 - 4p i s a 寄存器写一读间隔的统计6 l 图5 5a r m 寄存器写一读间隔的统计：6 l 图5 - 6p i s a 内存写一读间隔的统计。6 2 图5 7 测试程序中指令的比例6 3 图5 8 静态解析过程6 6 图5 - 9 指令一操作数依赖链长度分析i 6 9 图5 1 0 指令一操作数依赖链长度分析6 9 图5 1 l 无效指令统计表的合并。7 1 图5 1 2p i s a 指令格式7 4 图5 1 3p i s a 指令系统各类指令统计7 7 图5 1 4a r m 指令系统各类指令统计7 7 图6 - lc a c h e 的逻辑位置8 1 图6 - 2c a c h ea v f 评估框架8 3 图6 3 有效指令对c a c h e 的读写操作流。8 5 图6 - 4p i s a 中数据c a c h e 的替换率8 7 图6 - 5 舭l m 中数据c a c h e 的替换率8 7 表目录 表3 。l 表3 - 2 表3 - 3 表3 - 4 表4 1 表4 - 2 表5 - 1 表5 - 2 表5 - 3 表6 - 1 表6 - 2 表目录 i b - e f s m 中的元语操作2 1 评估实验一的数据 评估实验二的数据3 2 评估实验三的数据3 3 三类指令在p i s a 中的比例4 0 三类指令在a r m 中的比例4 0 八条指令在测试程序中的比例( 比例单位：) 6 3 p i s a 中指令队列的a v f 评估数据7 9 a r m 中指令队列的a v f 评估数据7 9 p i s a 中数据c a c h e 的a v f 评估数据8 8 a r m 中数据c a c h e 的a v f 评估数据 x 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：金i 兰 加7 年s 月i o 日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着专用集成电路( a p p l i c a t i o n - s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c m t ，a s l c ) 的设计、 生产效率和成本受众多因素的影响，专用指令集处理器( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n s t r u c t i o ns e tp r o c e s s o r ，a s p ) 受到越来越多的关注。由于具有很强的并行处理 能力和各种专用硬件的支持，a s i p 凭借特有的高效性和灵活性，提供了一种低 风险、短上市时间的实现途径。另一方面，电路设计的小规模趋势和供电电压 的降低使软错误的发生更为频繁，存储部件的可靠性评估在处理器设计中占据 日益重要的地位。本文将对a s i p 设计方法学中的可靠性评估的相关内容开展研 究。本章首先介绍a s i p 的特点和其设计方法，然后介绍影响部件可靠性的主要 因素软错误，最后说明本文的主要工作和组织结构。 1 1 专用指令集处理器 当今在深亚微米领域设计专用集成电路( a p p l i c a t i o n - s p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t ，a s i c ) 【2 】变得越来越困难，问题越来越突出，a s i c 的生产成本也日 益增加。设计集成电路成本的增加主要源于以下四方面的原因： 深亚微米效应( d e e p s u b m i c r o ne f f e c t s ，d s m ) ，在深亚微米尺度上( 一般 小于2 5 0 h m ) 进行设计会带来新的电子设计的挑战，互连延迟主导系统性 能的问题随着工艺技术的不断进步将交得越来越突出。到深亚微米领域，逻 辑设计必须结合物理特性才能精确地给出时延、功耗、可布性、面积等，互 连线在时延和功耗的评估过程中逐步成为不可忽略的角色。在采用深亚微米 集成电路技术的复杂芯片的设计过程中，最终有待考虑的一系列问题包括： 时序收敛、布局和布线，此外还要避开功耗和串扰等物理效应等越来越严重 的不利影响。总之，必须将逻辑综合和布局布线更紧密地联系起来，用物理 综合方法，使设计人员同时兼顾考虑高层次的功能问题、结构问题和低层次 上的布局布线问题，这些都太大增加了设计成本。 日益增加的复杂性：特定大小芯片上的晶体管数量每隔2 4 个月就会增加一 倍，计算机的性能每隔1 8 个月就会增长一倍一这就是著名的摩尔定律。 随着摩尔定律的延续，半导体已经从原来的几十万门增长到数千万门的集成 第1 章绪论 度，人们把越来越多的功能集成到专用数字电路上来，设计的难度日益增大， 这神复杂性增加了现有的设计工具的压力，同时需要不同的工具集，以应对 增加的复杂度，从而能够更好地管理层次化设计。 异构综合：用更低的成本增强系统的功能需要在一块模板上集成许多不同的 功能，这种异构集成需要在设计团队中有不同专业领域的专家。 日益缩短的产品上市时间( t i m e - t o - m a r k e t ，t t m ) ：一方面，产品结构和 设计越来越复杂；另一方面，为了满足激烈的市场竞争，产品上市时间要求 越来越短，这也意味着实现商业化成功的设计变得越来越困难。 随着以上因素的影响，专用指令集处理器( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cl n s t r u c t i o ns e t p r o f e s s o r 。a s h ) 【3 】 4 】【1 4 】受到越来越多的关注。a s i p 的可编程性为硬件开发者 提供了很大的空间，比如可以同时用于相关的几个应用，一种应用的不同版本 也可以用于同一块a s i p 。对于应用程序开发者，一套可编程的解决方案的风险 较小，同时产品上市时间也较短，因为编程和调试软件比设计软件，以及设计、 调试和生产硬件的成本要低得多。 a s m 由传统的指令集体系结构( i n s t r u c t i o ns e ta r c h i t e c t u r e ，i s a ) 发展而 来，根据应用的特征，它可以通过各种方式实现高效率： 并行处理：传统的冯诺伊曼处理器执行方式的实质是串行处理每次只 能执行一条指令，因此如果i s a 要达到a s i c 的效率，必须尽可能地利用相 关的并行技术。并行处理一般分为三个层次：处理单元级( p r o c e s s i n g e l e m e n t ，p e 级) 、指令级和字位级。在p e 级，我们可以在流水线配置或 对称配置中利用多个p e 以提高系统的性能。具有这种体系结构的处理器有 c i s e op x f 5 】，e z c h i pn p 1 【6 】和m mp o w e r n p 7 】。指令级的并行性方面， v u w s 和超标量体系结构【8 】均是很好的范例。位级的并行性主要依赖于应 用中的数据类型和操作，关于网络应用中包头的c r c 域计算的指令就是这 方面的典型代表。 专用硬件：要是a s i p 达到a s i c 的高效，其最直接的方法就是利用专门的 硬件完成特定的功能，而不是用标准的a l u 部件代替。专用硬件可以分为 两类：协处理器和专用功能部件。协处理器是一个通过p e 使能的计算块， i n t e li x p l 2 0 0 9 中的哈希引擎就是一个协处理器。专用功能部件是一个在 p e 的流水段中计算结果的专用的计算块，i n t e li x p t 2 0 0 中有一条专门用于 在一个周期查找寄存器的第一位的专用部件。 存储结构：通过定制存储结构，a s i p 能够减少访存时延。主要的相关技术 2 第1 章绪论 有：多线程、存储器管理和专用存储器【1 0 】【1 l 】。多线程技术使得当其他线 程在等待访存操作时，硬件可以用于处理其他的流。存储器管理技术能够消 除由操作系统完成此项功能的开销。 外围部件：a s i p 还支持处理器之外的输入和输出。通过外围部件处理数据 的输入输出，可以看作是并行处理的特例。 1 。2 专用指令集处理器设计方法 各种经典的体系结构和实现系统高效的方法使得a s 碑在系统级设计中具有 多种选择，但是基于硬件描述语言 1 2 】( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，h i ) l ) 的a s i c 的设计流程并不适合a s m 设计中快速的搜索和评估不同的处理器结 构。a s i p 设计者面临双重任务： 1 ) 在不同的体系结构配置中搜索满足特定应用要求的设计方案； 2 ) 利用设计工具集( 包含仿真器、编译器等) 以便判断候选体系结构能否满足 功耗、性能、芯片面积等要求。 此外，产品上市时间的缩短使得传统的软硬件划分过程需要以并行的方式进 行。为了在a s i p 设计中解决这些问题，一种基于体系结构描述语言 【1 3 ( a r c h i t e c t u r ed c s c 邱t i o nl a n g u a g e ，a d l ) 的设计方法学【1 5 】【2 5 】应运而生， 如图l - - 1 所示。这种方法能够快速地进行a s i p 设计并自动生成设计工具集， 这样a s i p 设计者就可以并行的实现硬件和软件，评估不同的候选体系结构。此 外，通过综合工具，相应的h d l 也能够快速生成。 图1 1a s i p 设计流程 近年来，对a s i p 设计流程的研究集中在体系结构描述语言a d l 驱动的工 3 第1 章绪论 具集生成环境上。体系结构描述语言是处理器模型的形式化表示，根据a d l 对 体系结构中的行为和组成进行描述，再由a d l 描述通过特定的生成机制自动生 成相应的设计工具集。由德国多特蒙德大学提出的m i m o l a 1 6 在寄存器传输 级以网表的形式建模处理器结构，但是由于其描述粒度很细，涉及过多的硬件 实现细节，工具集生成的效率很低。由德国柏林工业大学提出的以n m l 1 7 i $ 】 为驱动的生成环境主要以d s p 1 9 和a s i p 为目标体系结构，指令集通过属性语 法进行描述，但是n l v l l 不支持多字指令的描述，也没有提供流水线信息，因此 无法建立周期精确的模型。印度坎普尔技术学院提出了n m l 的升级版本 s i m - n m l 2 0 1 ，在其生成环境中由生成器f s i m g 生成仿真器f s i m 。同样因为缺 乏流水线信息，该环境无法生成周期精确的仿真器。i s d l 2 1 2 2 是美国麻省理 工学院提出的一种a d l ，主要针对v l i w 体系结构，通过添加非法操作组来显 示地描述处理器中对操作并行性的约束，但是对于复杂的目标体系结构，这种 扩展增加了描述的负担，此外，i s d l 无法描述资源冲突，也不提供流水线操作 的时序信息，因此其描述层次也只限于指令级( i n s t r u c t i o n - l e v e l ) 的。德国亚琛 工业大学提出的l i s a 2 3 通过甘特图模型描述资源分配和操作调度策略，它假 设当资源冲突发生时，流水线调度器直接插入b u b b l e ，因此无法描述具有乱序 执行特征的处理器。伊利诺伊大学在t r i m a r a n 2 6 系统中提出了m d e s 2 7 】，利 用模板对处理器进行建模，其生成环境最大的缺点是可重定向性十分有限，只 支持h p l p d 系列处理器 2 8 】。e x p r e s s i o n 【2 9 1 由美国加州大学欧文分校提出， 是另_ 类基于模板的a d l ，其建模能力也受到模板种类和数量的限制，目标体 系结构的复杂度不超过v l i w 。此外，这些a s i p 设计平台有个共同的不足：没 有提供相应的评估机制，包括功耗评估、可靠性评估等，而随着芯片技术的发 展，这些评估是十分必要的。特别地，a s i p 是专门针对特定应用而定制的处理 器，根据一些专门领域应用的特点，会有相应的评估指标用于指导a s i p 配置的 设计，因此在a s i p 设计环境中完成评估机制的实现显得尤为必要。 本文的主要工作就是针对a s i p 设计环境的特点，完成在可重定向的设计平 台上的存储部件的可靠性评估工作。经过完善的a s i p 设计流程如图1 2 所示。 利用模型和相应的a d l 对候选体系结构进行描述，然后由生成器自动生成相应 的设计工具集，通过工具集结合各种评估模型( 包括功耗模型、性能模型、可 靠性模型等) 获得相应的特征参数，并以此作为设计空间搜索( d e s i g ns p a c e e x p l o r a t i o n ，d s e ) 的依据，判断候选体系结构是否满足评估指标。如果不满足， 则修改体系结构描述，再进行工具集生成，完成下一次的设计空间搜索，直至 4 第l 章绪论 获得满足评估指标的合适的体系结构配置。 图1 - 2 可重定向的设计环境 1 3 影响处理器存储部件可靠性的因素软错误 软错误 3 0 】【3 1 】【3 2 】是目前影响存储部件可靠性的主要因素，当今绝大多数的 可靠性研究均以软错误造成的影响为研究对象，本节主要介绍其特征和分类。 1 3 1 软错误 按照摩尔定律，芯片上晶体管数量约每隔1 8 个月便会增加一倍，性能也将 提升一倍。这也预示着半导体设备，特别是微型处理器的功能和性能会有飞速 的发展。而每一次技术的发展总会伴随着新的障碍，随着供电电压和芯片尺寸 的不断降低以满足越来越多的用户对高密度、高性能、低功耗系统的需求，系 统对辐射的敏感度日益增加，低电压技术将减少电容容量并增加存储单元对于 a l p h a 粒子