面向商用APSoC器件的雙核鎖步機制①

孫越 伍攀峰 馬宗峰 李杰

摘 ? 要：商業(yè)衛(wèi)星的迅速發(fā)展，具備靈活性和可配置性的商用APSoC（All Programmable System-on-Chip）器件成為提高衛(wèi)星性能、降低成本的重要途徑之一。具備多種優(yōu)點的APSoC器件受到國內(nèi)外商業(yè)衛(wèi)星領域廣泛關注。但APSoC器件抗輻照能力較低。因此，針對單粒子翻轉引發(fā)的軟錯誤，本文提出面向商用APSoC器件的雙核鎖步機制，能夠檢測單粒子效應導致的軟錯誤并糾正，提高APSoC應對單粒子翻轉引發(fā)的軟錯誤能力。

關鍵詞：APSoC ?雙核鎖步機制 ?Checker模塊 ?檢查點 ?回卷恢復

中圖分類號：TN47 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0009-02

近年來，已開發(fā)出基于多核架構的新嵌入式片上系統(tǒng)來滿足高性能處理器要求，將FPGA與嵌入式處理器相結合架構稱為APSoC[1]。APSoC是工業(yè)級或商業(yè)級器件，與宇航級器件相比，其抗輻照能力較低。其中對于低軌空間輻射效應中的總劑量效應，在文獻[2]中經(jīng)試驗證明APSoC中的Zynq 7000 XC7Z020和Zynq UltraScale+ XCZU9EG在105MeV下的總劑量分別為110.4×109p/cm2、120.0×109p/cm2，相當于10.0krad（Si）、10.9krad（Si），該總劑量能夠適用于許多低軌衛(wèi)星任務。另外，隨著集成電路工藝尺寸的不斷縮減，由單粒子效應引起的軟錯誤所需的能量閾值在不斷降低，因此發(fā)生軟錯誤的幾率也在不斷提高，軟錯誤已成為小衛(wèi)星技術甚至空間技術領域亟待解決的關鍵問題。

面向商業(yè)航天對APSoC器件的應用需求，本文主要從雙核處理器的抗軟錯誤防護入手，研究一種適合APSoC的雙核鎖步容錯機制，該機制可以防止系統(tǒng)發(fā)生功能中斷以及檢測單粒子效應導致的軟錯誤并糾正。

1 ?雙核鎖步機制

雙核鎖步（簡稱DCLS）機制是在兩個相同的處理器中同時運行相同的應用程序，由檢查器模塊對比兩個CPU應用程序的執(zhí)行輸出，在輸出結果一致的情況下，由檢查器模塊產(chǎn)生中斷，將兩個CPU當前狀態(tài)以檢查點文件的形式保存到存儲器上。在輸出結果不一致的情況下，由檢查器模塊產(chǎn)生中斷，兩個CPU處理器調(diào)取最近一次保存的檢查點文件實施回卷以恢復系統(tǒng)。由此可以看出，在軟錯誤發(fā)生后，雙核鎖步機制能夠用于錯誤糾正，將系統(tǒng)恢復到安全狀態(tài)。

1.1 架構

本文提出雙核鎖步機制是在APSoC器件中的一款Zynq UltraScale+上設計和實現(xiàn)的，該方法通過一些調(diào)整，便可以擴展到不同的APSoC器件中使用。雙核鎖步機制架構設計圖1所示，每個CPU都連接到其專用BRAM存儲器，所有應用程序數(shù)據(jù)和處理器的檢查點文件都存儲在BRAM中。處理器與外部共享DDR存儲器連接，該存儲器存儲兩個CPU的程序指令，此外，DDR還作為檢查點的備用存儲器。Checker模塊是一個負責驗證處理器一致性的模塊，它與兩個BRAM存儲器連接以訪問兩個CPU的輸出，并產(chǎn)生中斷信號以控制CPU執(zhí)行檢查點或者回卷恢復操作。

1.2 Checker模塊

在雙核鎖步機制中，Checker模塊用IP核實現(xiàn)，采用Verilog語言設計，它負責驗證處理器一致性。在本設計中采用應用程序輸出應用簽名的方法進行比較，該方法在應用程序上附加代碼，在驗證點之前在應用程序上計算簽名，雖然提高了應用程序復雜度，但能夠降低Checker模塊進行數(shù)據(jù)對比的時間。這個簽名可以是所有元素的總和、XOR掩碼、校驗等方法來實現(xiàn)。

關于處理器寄存器的驗證，要考慮以下問題：（1）本文主要使用通用寄存器R0～R12、堆棧指針（SP）、鏈接寄存器（LR）; 和程序計數(shù)器（PC）。（2）在程序執(zhí)行開始時，寄存器必須執(zhí)行初始化程序，使兩個處理器的寄存器狀態(tài)保持一致。

2.3 檢查點和回卷操作

檢查點是一種將處理器一致狀態(tài)保存在內(nèi)存中的操作，回卷操作是通過恢復先前的狀態(tài)從錯誤中恢復系統(tǒng)。在雙核鎖步機制中，執(zhí)行檢查點操作時將寄存器狀態(tài)存儲在BRAM和DDR存儲器中。在回卷操作中，從存儲器讀取檢查點文件。執(zhí)行回卷并且系統(tǒng)仍然出現(xiàn)錯誤，則執(zhí)行序列下一個回卷級別?；鼐砑墑e如下：

1、第一級回卷從BRAM存儲器讀取檢查點文件以恢復系統(tǒng)。

2、第二級回卷從DDR內(nèi)存讀取檢查點文件以恢復系統(tǒng)。

3、如果上述兩個級別回卷都沒有效果，則重新啟動應用程序以恢復系統(tǒng)。

如果在應用所有回卷級別后，仍無法成功恢復系統(tǒng)，則硬件系統(tǒng)看門狗會由于長時間沒有“喂狗”產(chǎn)生看門狗復位信號，系統(tǒng)重新運行。

3 ?總結

鎖步技術是一種錯誤檢測機制，可以保持多個CPU，在相同時鐘周期內(nèi)執(zhí)行相同的指令。在APSoC器件上使用雙核鎖步機制（DCLS）作為容錯解決方案，系統(tǒng)能在不間斷處理和不損失數(shù)據(jù)的情況下恢復正常運行，以提高嵌入APSoC的硬核處理器的可靠性，而且本文提出的雙核鎖步機制可以通過簡單調(diào)整擴展到不同的APSoC器件中使用。該機制的提出為商用航天選用高性能、低成本的處理器提供了一種方案思路。

參考文獻

[1] ?dria Barros de Oliveira， Lucas Antunes Tambara， Fernanda Lima Kastensmidt. Exploring Performance Overhead Versus Soft Error Detection in Lockstep Dual-Core ARM Cortex-A9 Processor Embedded into Xilinx Zynq APSoC. Lecture Notes in Computer Science， p.189-201， 2017.

[2] David M. Hiemstra， Valeri Kirischian and Jakub Brelski. Single Event Upset Characteriza- tion of the Zynq-7000 ARM CortexTM-A9 Processor Unit Using Proton Irradiation. 2015.