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空间辐射环境下提高程序容错能力的技术研究

作　者: 熊荫乔
导　师: 谭庆平
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 软件容错程序容错能力编译优化部分受硬件保护的寄存器
分类号: TP302.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

星载计算机作为卫星的核心设备,是空间信息处理的基础平台,对其可靠性的研究具有重大的战略意义。在空间环境中,由于多种辐射引起的硬件瞬时故障使星载计算机的可靠性面临着严峻的挑战。通过抗辐射器件来提高可靠性,成本和功耗较高,且性能低下,在能量有限的星载计算机上不宜大幅使用。研究表明,在商用器件(COTS,Commercial-Off-The-Shelf)上面通过软件技术容忍硬件瞬时故障,可以为高可靠、高性能、低成本和低功耗的星载计算机提供有效的解决方案。本文首先对已有容错技术的优缺点进行了分析,并在此基础上提出了一种基于寄存器可靠性分析、针对不同程序结果的程序容错能力度量方法;然后,以该度量方法为导向,提出了编译优化容错技术(FTCO,Fault Tolerance by Compiler Optimization),相对于利用冗余提高容错能力的方法,该方法在开销和原程序保持一致的基础上,提高了程序的容错能力;最后提出了基于部分可靠寄存器提高程序容错能力的技术(PPRF,Fault Tolerance by Partial Protected Register Files),通过对指令进行分类,根据数据流和错误的产生、传播模型,分析程序中寄存器关键性,和寄存器的访问次数定义寄存器的权重,进而依据寄存器权重引导寄存器重分配。相对于全硬件保护技术,PPRF在面向软错误的保护上更有针对性,且功耗大大降低,在增强程序容错能力的同时,提高了能量利用率。实验表明,文中提出的FTCO技术在不增加原程序任何冗余开销的情况下可以使得程序的容错能力提高7.14%-10.7%,PPRF技术在功耗提高了10%-100%的基础上使得程序自身容错能力提高了11.3%-60.05%。

全文目录

摘要  8-9
ABSTRACT  9-10
第一章绪论  10-15
  1.1 课题背景  10-12
    1.1.1 软错误  10-11
    1.1.2 容错的概念  11-12
    1.1.3 容错能力和容错开销的矛盾  12
  1.2 课题主要研究内容、成果及意义  12-13
  1.3 论文的组织结构  13-15
第二章相关容错技术介绍  15-27
  2.1 硬件容错技术  15
  2.2 软件容错技术  15-25
    2.2.1 软错误检测算法  16-22
    2.2.2 软错误恢复技术  22-23
    2.2.3 容错优化技术  23-25
  2.3 本章小结  25-27
第三章提高程序容错能力的编译优化技术  27-45
  3.1 基于寄存器可靠性的程序容错能力分析  27-32
    3.1.1 寄存器可靠性分析  27-28
    3.1.2 程序容错能力分析  28-32
  3.2 提高程序容错能力的编译优化技术  32-43
    3.2.1 指令调度  32-36
    3.2.2 循环结构的容错能力优化  36-40
    3.2.3 删除替换重复指令约束  40-43
  3.3 编译优化技术分析  43-44
  3.4 本章小结  44-45
第四章基于部分可靠寄存器提高程序容错能力的技术  45-55
  4.1 PPRF概论  45-46
  4.2 PPRF实现  46-53
    4.2.1 数据流分析方法  46-47
    4.2.2 错误产生和传播模型  47-49
    4.2.3 PPRF步骤  49-53
  4.3 PPRF技术分析  53-54
  4.4 本章小结  54-55
第五章故障注入实验  55-58
  5.1 实验环境及实验步骤  55
  5.2 实验结果  55-57
  5.3 实验分析  57
  5.4 本章小结  57-58
第六章结束语  58-60
致谢  60-61
参考文献  61-66
作者在学期间取得的学术成果  66-67
附录  67-93

空间辐射环境下提高程序容错能力的技术研究

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