微處理器I-O系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著集成電路集成度的大幅提高和半導(dǎo)體制作工藝的飛速發(fā)展，微處理器芯片面臨越來(lái)越嚴(yán)重的軟錯(cuò)誤威脅。為應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)，業(yè)界及各主流設(shè)計(jì)公司均注重研發(fā)新的容錯(cuò)技術(shù)，以增強(qiáng)微處理器的可靠性。
　　現(xiàn)代微處理器向著多核和系統(tǒng)級(jí)（SoC）芯片的趨勢(shì)發(fā)展，與傳統(tǒng)的微處理器一般只包含內(nèi)核和存儲(chǔ)系統(tǒng)相比，越來(lái)越多的I/O系統(tǒng)將集成在微處理器芯片內(nèi)部。傳統(tǒng)的微處理器可靠性設(shè)計(jì)往往只考慮了內(nèi)核和存儲(chǔ)系統(tǒng)，對(duì)I/O系統(tǒng)的考慮較少。隨著微電子器件軟錯(cuò)誤率的上

2、升，必須對(duì)微處理器內(nèi)部集成的I/O系統(tǒng)進(jìn)行可靠性加固。
　　I/O系統(tǒng)在微處理器中呈現(xiàn)出不同于內(nèi)核和存儲(chǔ)系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行I/O系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)級(jí)可靠性設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行多方面考慮，需要基于不同I/O部件的特性采取有效的可靠性加固手段。本文主要對(duì)I/O系統(tǒng)的關(guān)鍵部件可靠性加固技術(shù)進(jìn)行研究，具體工作和創(chuàng)新點(diǎn)包括：
　?。?）針對(duì)I/O系統(tǒng)內(nèi)部存在多種不同位寬的數(shù)據(jù)傳輸通道的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了任意位寬ECC編解碼模塊RTL代碼的自動(dòng)生成工具

3、。通過(guò)該工具，可以使各I/O模塊設(shè)計(jì)師不用了解復(fù)雜的ECC算法，即可在模塊中方便的實(shí)現(xiàn)不同位寬的ECC編解碼，降低了可靠性設(shè)計(jì)難度，加速了設(shè)計(jì)過(guò)程。該工具實(shí)現(xiàn)了任意位寬、自主命名ECC編解碼模塊自動(dòng)生成的功能，設(shè)計(jì)師只需要輸入想要的文件名及相應(yīng)位寬，就可以得到RTL代碼。
　?。?）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于二維奇偶校驗(yàn)的高可靠異步FIFO，解決對(duì)異步FIFO進(jìn)行可靠性加固的問(wèn)題?，F(xiàn)代I/O系統(tǒng)中，時(shí)鐘域眾多，需要利用異步FIFO在各個(gè)時(shí)鐘域

4、之間有效可靠的傳遞數(shù)據(jù)。隨著 I/O系統(tǒng)的發(fā)展，微處理器中集成的異步FIFO深度和寬度將越來(lái)越大，必須考慮對(duì)其進(jìn)行可靠性加固。常用的微體系結(jié)構(gòu)級(jí)加固手段包括奇偶校驗(yàn)和ECC校驗(yàn)。本文根據(jù)異步FIFO自身的特點(diǎn)，采用了二維奇偶校驗(yàn)的方式對(duì)其進(jìn)行加固，既可以避免ECC校驗(yàn)對(duì)性能的影響，又能夠彌補(bǔ)奇偶校驗(yàn)只檢錯(cuò)不糾錯(cuò)的不足。高可靠性異步FIFO設(shè)計(jì)可以作為庫(kù)單元供設(shè)計(jì)師調(diào)用，能夠提高微處理器I/O系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也降低了可靠性設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

5、
　?。?）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高可靠的IOTTE cache，解決I/O系統(tǒng)中cache進(jìn)行可靠性加固的問(wèn)題。隨著實(shí)現(xiàn)功能的復(fù)雜化，I/O系統(tǒng)并不簡(jiǎn)單是數(shù)據(jù)通路而已，其中越來(lái)越多的包含了cache等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。例如，為了實(shí)現(xiàn)I/O虛擬化功能，一般采用IOMMU（I/O Mapping Management Unit）模塊實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換功能。在IOMMU中為了緩存轉(zhuǎn)換頁(yè)表項(xiàng) TTE（Translation Table Entries）

6、，一般都實(shí)現(xiàn)了IOTTE cache。大量I/O部件的集成使得該cache的規(guī)模擴(kuò)大，必須考慮如何對(duì)I/O系統(tǒng)中的復(fù)雜cache結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性保護(hù)。本文采用多種手段對(duì)I/O系統(tǒng)中的IOTTE cache進(jìn)行了可靠性加固，提高了微處理器I/O系統(tǒng)的可靠性。
　　綜上所述，本文對(duì)微處理器I/O系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多種可靠性加固手段，在工程實(shí)踐中得到了具體的應(yīng)用，能夠有效提高微處理器I/O系統(tǒng)可靠性，降低可靠