Метод инъектирования сбоев для тестирования сбоеустойчивых микропроцессоров типа система на кристалле

ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 ТЕСТИРОВАНИЕ СБОЕУСТОЙЧИВОСТИ
МИКРОПРОЦЕССОРОВ 11
1.1 Сбоеустойчивость цифровых интегральных схем к ионизирующему
излучению космического пространства 11
1.2 Тестирование сбоеустойчивости с помощью инъекций сбоев 16
1.3 Методы инъекции сбоев 23
1.4 Инъекция сбоев с помощью внутрикристального отладчика
микропроцессора 27
1.5 Микропроцессоры типа система на кристалле 32
1.6 Выводы по главе и постановка задачи 36
ГЛАВА 2 ИНЪЕКЦИИ СБОЕВ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТНОГО
БЛОКА ВНЕСЕНИЯ ИНЪЕКЦИЙ В МИКРОПРОЦЕССОР ТИПА
СИСТЕМА НА КРИСТАЛЛЕ 38
2.1 Модель сбоев и требования для инъектирования в микропроцессор
типа система на кристалле 38
2.2 Метод инъекции сбоев в микропроцессор типа система на кристалле с
помощью аппаратного блока инъектирования 40
2.3 Аппаратно-программная система для инъекции сбоев в
микропроцессор типа система на кристалле 43
2.3.1 Режим с остановкой процессора 43
2.3.2 Режим без остановки процессора 46
2.4 Методики для осуществления инъекций сбоев в микропроцессор типа
система на кристалле 49
2.5 Возможности контролепригодности 58
2.6 Выводы по главе 59
ГЛАВА 3 СИСТЕМА ДЛЯ ИНЪЕКЦИЙ СБОЕВ ДЛЯ
МИКРОПРОЦЕССОРА LEON3 61
3.1 Исходные данные для разработки 61
3.2 Детализированная структура системы инъекции сбоев для процессора
LEON3 63
3.3 Аппаратное обеспечение системы инъекций сбоев 65
3.3.1 Структурная схема IP-блока инъектора сбоев 65
3.3.2 Описание работы инъектора сбоев 74
3.3.3 Модификация контроллера внешней памяти 80
3.3.4 Работа конвейера LEON3 при обнаружении сбоя в регистровом
файле 82
3.4 Программное обеспечение системы инъекций сбоев 84
3.5 Выводы по главе 91
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 93
4.1 Планирование экспериментальных исследований 93
4.2 Верификация системы для инъекции сбоев 94
4.3 Демонстрация возможностей системы для инъекций сбоев 99
4.4 Выводы по главе 107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 108
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 110
ПРИЛОЖЕНИЕ А – КОНФИГУРАЦИОННЫЕ НАСТРОЙКИ
ЦЕЛЕВОЙ СИСТЕМЫ 123
ПРИЛОЖЕНИЕ Б – СВИДЕТЕЛЬСТВО О РЕГИСТРАЦИИ
ПРОГРАММЫ 133
ПРИЛОЖЕНИЕ В – АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 134

В работе представлено развитие методов инъектирования сбоев в
память микропроцессоров типа система на кристалле с целью тестирования
их механизмов сбоеустойчивости. Предложены метод, система и методика
инъектирования сбоев. Данные решения были реализованы в
программируемой логической интегральной схемы для процессорного ядра
LEON3, проведены экспериментальные исследования их эффективности.
Основные результаты работы представлены ниже.
1. Предложен метод инъектирования сбоев в микропроцессоры типа
система на кристалле с помощью встроенного аппаратного блока инъекции
сбоев с использованием возможностей внутрикристального отладчика.
Метод обеспечивает проведение без непосредственного участия внешнего
аппаратно-программного окружения автономных экспериментов с
минимальными задержками занесения сбоев в память микропроцессора.
Внешний управляющий компьютер выполняет роль постобработчика
проведенных экспериментов.
2. Разработана программно-аппаратная система инъекции сбоев на
основе блока инъекций сбоев, встраиваемого в систему на кристалле как
аппаратный сложно-функциональный блок. Она обладает низкой степенью
вмешательства в аппаратные составляющие микропроцессора. Блок
инъекции сбоев не требует больших ресурсов для своей реализации и
позволяет проводить инъектирование как во внутреннюю, так и во внешнюю
память. Он может быть использован не только для тестирования
микропроцессоров в процессе их лабораторных испытаний, но и для
диагностирования механизмов их сбоеустойчивости в процессе эксплуатации
в составе бортовых систем космических аппаратов.
3. Разработаны методики проведения экспериментов по инъекции сбоев
с помощью аппаратного инъектора, позволяющие проводить автономные
эксперименты, в которых сбои вырабатываются внутри тестируемого
микропроцессора без участия внешнего программно-аппаратного окружения.
Методики обеспечивают проведение инъектирования со случайным и
предопределенным покрытием в режимах с остановкой процессора для
тестирования сбоеустойчивости внутренней памяти, а также без остановки
процессора для тестирования сбоеустойчивости внешней памяти.
4. Предложенные решения были реализованы в ПЛИС для процессора
LEON3. Разработан сложно-функциональный блок инъекции сбоев, создана
новая конфигурация процессора для ПЛИС, включающая разработанный
блок, разработано тестовое программное обеспечение. Проведены
экспериментальные исследования, которые подтвердили: реализуемость
метода, широкое разнообразие видов экспериментов по инъекции сбоев;
малые задержки инъектирования, определяемые лишь временными циклами
работы процессора; низкие затраты ресурсов ПЛИС типа FPGA, требуемые
для реализации предложенных решений.
5. Разработанный метод позволил разработать и испытать функционал
сбоеустойчивости микропроцессора для бортового компьютера малого
космического аппарата «ТаблетСат-Аврора».