Publication: Técnicas híbridas de tolerancia a fallos en microprocesadores
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Publication date
2017-07
Defense date
2017-11-15
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Abstract
Este trabajo de tesis doctoral presenta tres nuevas técnicas de
detección de errores de control de flujo en microprocesadores. Estas
técnicas han sido implementadas de manera no intrusiva en un módulo
hardware externo y se han combinado con técnicas de software para
obtener una elevada capacidad de detección de errores. Se ha utilizado la
interfaz de traza como medio de observación de la ejecución permitiendo
la detección de errores de flujo de una manera no intrusiva y sin penalización
en las prestaciones.
La primera técnica propuesta ha sido denominada Predicción del
Contador de Programa. Está técnica está basada en el cálculo del
contador de programa a partir del código de instrucción actual y el valor
previo del contador de programa. Esta técnica es capaz de detectar el
subconjunto de errores que afectan al contador de programa de una
manera muy eficiente y con un coste en términos de recursos necesarios
para su implementación muy reducido. Adicionalmente, es importante
destacar que la técnica Predicción del Contador de Programa es
complementaria a las otras dos técnicas descritas en la tesis, Monitorización
de firmas y Monitorización dual, y es necesaria para que éstas dos alcancen
elevadas tasas de detección de errores de control de flujo.
La técnica de Monitorización de Firmas realiza el cálculo de una firma
online con el objetivo de verificar la ejecución de un bloque de
instrucciones. Cada bloque tiene asignada una firma de referencia que es
calculada en tiempo de compilación. La firma de referencia y la calculada
en tiempo de ejecución son comparadas al final de la ejecución de cada
bloque. Una de las mejoras que presenta esta técnica respecto a técnicas
basadas en el cálculo de firmas propuestas por otros autores es que
consigue reducir el tamaño de la memoria necesaria para almacenar las
firmas de referencia utilizando una tabla denominada CFC-ST. Se han
propuesto dos métodos de almacenamiento y acceso a la tabla CFC-ST, un
método estático y un método dinámico. En ambos casos el impacto sobre el rendimiento del sistema es reducido al conseguir reducir el tamaño de la
tabla necesaria para almacenar las firmas de referencia.
La tercera técnica desarrollada en esta tesis doctoral es la técnica de
Monitorización Dual. Esta técnica monitoriza la ejecución utilizando dos
puntos de observación diferentes, la interfaz de traza y el bus de memoria.
Gracias a estos dos puntos de observación se obtiene información de la
ejecución en diferentes etapas del pipeline del microprocesador. En
concreto se realiza la comparación del contador de programa y el código
de instrucción obtenidos en la etapa de búsqueda con el valor de los mismos
justo después de la etapa de ejecución.
Uno de los puntos a destacar de las técnicas Monitorización Dual y
Predicción del Contador de Programa es que pueden ser implementadas
sin necesidad de almacenar información de la ejecución calculada en
tiempo de compilación, reduciendo de una manera considerable el
impacto sobre el rendimiento del sistema, ya que el número de recursos
necesarios para su implementación es muy reducido.
Se han realizado extensas campañas de inyección de fallos utilizando la
herramienta AMUSE, lo cual nos ha permitido evaluar la efectividad de las
tres técnicas propuestas en esta tesis doctoral. Los resultados obtenidos en
cada una de las campañas de inyección demuestran que las técnicas
presentadas en esta tesis detectan de una manera eficiente aquellos errores
que afectan al flujo de programa alcanzando una buena solución de
compromiso entre la cobertura a fallos y el impacto sobre el rendimiento
del sistema.
Description
Keywords
Microprocesadores, Sistemas tolerantes a fallos, Monitorización