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面向空间应用的容错RISC处理器体系结构研究

辛明瑞  
【摘要】: 我国目前星载计算机使用的微处理器不具备单粒子翻转(SEU,Single Event Upset)的容错能力,导致必须依靠系统级的容错设计达到空间应用的可靠性要求,制约了系统实时性能的提高,难以满足卫星与深空探测技术发展的需要。 论文以星载计算机的需求为背景,重点研究应用于空间辐射环境中高性能微处理器的容错体系结构,提出了一套完整的微处理器片上容错设计方案,并研究其实现技术,设计实现了两款具有自主知识产权的能够容忍单粒子翻转故障的高性能微处理器芯片,并流片成功。 论文取得了如下的创新性研究成果: 1、全面分析了SEU对微处理器危害的机理,提出了一个体系完整的微处理器片上容错设计方案,并在LSFT32系列微处理器芯片的设计中进行了实验验证。 2、提出了一种连续纠错的流水线结构,能够连续检测并纠正寄存器文件中的数据错误,并及时更新寄存器文件。 3、提出了一种自主恢复的存储器控制器结构,设计了具有自动回写的存储器控制器,数据错误处理完全不需要处理器的干预。 4、提出了一种可控的片上故障注入机制,提供了软件可控的故障模式,有力地支持了容错技术的验证。 5、利用0.5μmCMOS工艺抗辐射工艺库和定制存储器,研制了我国第一个辐射加固型32位RISC微处理器芯片LSFT3201(BM3801),主频25MHz,抗辐射总剂量指标达到300krad(Si);在LSFT3201的基础上通过集成浮点处理单元,改进流水线纠错结构和故障注入机制,利用0.18μm常规CMOS工艺,研制成功能容忍单粒子翻转故障的浮点微处理器芯片LSFT3202(BM3802),主频达到175MHz。 LSFT32系列容错微处理器的研制成功,对于缓解我国航天领域对国外抗辐射加固微处理器的依赖,将起到积极的作用。


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