本發(fā)明屬于系統(tǒng)單粒子軟錯誤可靠性評估，涉及一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法。

背景技術：

1、在空間應用中，嵌入式處理器系統(tǒng)在高速數(shù)傳、信號通信、導航處理等數(shù)據(jù)信息處理和控制領域得到廣泛應用，然而由于空間單粒子輻射效應的存在，單粒子軟錯誤對處理器運行狀態(tài)的影響，其故障形式表現(xiàn)為以下兩類：(1)系統(tǒng)運行狀態(tài)異常或者跑飛、死循環(huán)，此類故障稱為癥狀型故障，當觀測到故障發(fā)生時，系統(tǒng)已經(jīng)奔潰；(2)系統(tǒng)結(jié)果出錯，此類由于狀態(tài)出錯造成結(jié)果故障，稱為狀態(tài)錯誤故障，此時整個程序狀態(tài)表面正常運行，但輸出結(jié)果錯誤，進而可引起系統(tǒng)連鎖錯誤指示。上述狀態(tài)錯誤引發(fā)的系統(tǒng)故障由于具備隨機性、隱蔽性特點，難以及時觀測和恢復，但又是易發(fā)性故障，因此通過采用地面模擬故障注入方法，實現(xiàn)對系統(tǒng)單粒子翻轉(zhuǎn)敏感動態(tài)指令流進行故障注入，模擬空間輻照環(huán)境下的系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，提前進行故障預判分析，降低系統(tǒng)故障發(fā)生的幾率，提升系統(tǒng)在軌可靠性運行。

2、當前的技術多基于修改指令層級代碼進行故障注入行為的表述，或者基于硬件故障方式注入，其注入行為往往需要預編譯，并且屬于粗放型注入，在實現(xiàn)過程中無法模擬單粒子翻轉(zhuǎn)效應進行實時、有效和精確故障注入，造成了故障注入測試范圍、檢測效率降低等缺點，。因此，當前技術在設計的覆蓋性、有效性和檢測效率等方面依然有改善提升空間。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法。

2、本發(fā)明解決技術的方案是：

3、一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法，包括：

4、確定多核處理器的核心id；

5、根據(jù)確定的處理器核心id，提取原始指令流；

6、將提取到的原始指令流格式化為動態(tài)指令流；

7、基于動態(tài)指令流，篩選易受單粒子翻轉(zhuǎn)影響的指令，生成篩選后的動態(tài)指令流文件；

8、以篩選后的動態(tài)指令流文件進行隨機分布截取動態(tài)指令，將gdb調(diào)試器切換到要注入的處理器核心id；

9、讀取編譯后帶調(diào)試功能的應用程序源文件，提供gdb調(diào)試器的斷點調(diào)試信息；

10、根據(jù)截取的動態(tài)指令，創(chuàng)建故障注入斷點，根據(jù)注入指令的執(zhí)行次數(shù)確定停止位置；

11、注入故障到相應資源處，恢復多核同步執(zhí)行，繼續(xù)執(zhí)行應用程序。

12、優(yōu)選的，根據(jù)確定的處理器核心id，提取原始指令流的方法如下：

13、對于每條運行的指令，利用gdb調(diào)試器的斷點功能，將應用程序運行于指令入口處暫停，供后續(xù)gdb調(diào)試；

14、通過gdb調(diào)試器單步執(zhí)行功能讓處理器核心的應用程序匯編指令按單指令逐步執(zhí)行；

15、在逐條運行的指令斷點處，通過命令查看pc寄存器獲取當前的匯編指令信息，并生成動態(tài)運行的原始指令流。

16、優(yōu)選的，將提取到的原始指令流格式化為動態(tài)指令流，格式化內(nèi)容如下：

17、＜coreid,curindex,machcode,func+offset,asmcode＞

18、其中，coreid是指當前注入的處理器核心id，curindex是指當前指令的運行序號，代表其在總的指令執(zhí)行流程中的第幾次執(zhí)行；machcode是指當前指令的機器碼；func+offset代表指令在運行過程中提供給故障注入的斷點位置；asmcode是指當前指令的匯編指令。

19、優(yōu)選的，易受單粒子翻轉(zhuǎn)影響的指令，包括加載與存儲指令、整數(shù)與浮點運算指令、邏輯運算指令以及跳轉(zhuǎn)指令。

20、優(yōu)選的，以篩選后的動態(tài)指令流文件進行隨機分布截取動態(tài)指令，將gdb調(diào)試器通過thread命令切換到要注入的處理器核心id。

21、優(yōu)選的，根據(jù)截取的動態(tài)指令，創(chuàng)建故障注入斷點，根據(jù)注入指令的執(zhí)行次數(shù)確定停止位置，實現(xiàn)方法如下：

22、根據(jù)隨機分布獲得需要注入的寄存器編號及寄存器翻轉(zhuǎn)位；

23、通過gdb調(diào)試器的set指令進行故障注入，注入的故障是采用位翻轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)的，故障掩碼為在數(shù)據(jù)位寬中只有故障注入位為1，其余位都為0的掩碼數(shù)值。

24、優(yōu)選的，位翻轉(zhuǎn)的實現(xiàn)是通過目標資源值與故障掩碼進行按位異或?qū)崿F(xiàn)的，根據(jù)按位異或的二進制加法特性，當注入位的值與1異或運算，會將對寄存器當前值進行0或1的翻轉(zhuǎn)，而其他值保持原始值，從而實現(xiàn)按位翻轉(zhuǎn)的故障注入。

25、優(yōu)選的，注入故障后，通過應用程序執(zhí)行結(jié)果，判斷故障注入對系統(tǒng)運行影響，評估系統(tǒng)設計可靠性。

26、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是：

27、(1)本發(fā)明依據(jù)多核處理器的加存運算與指令跳轉(zhuǎn)特性，篩選出單粒子翻轉(zhuǎn)敏感的動態(tài)指令流，通過模擬注入方式實現(xiàn)了程序受單粒子翻轉(zhuǎn)影響的故障工作模式；

28、(2)本發(fā)明故障注入采用了伴隨程序指令執(zhí)行時間尺度的斷點動態(tài)注入方式，單條指令粒度的精細故障注入，具有可控精確的注入時機，有效避免了注入時機選擇對注入錯誤的生效，最大程度避免了無效注入，有效提高覆蓋性、有效性和檢測效率，；

29、(3)本發(fā)明實現(xiàn)了對多核處理器的故障注入，相比單核擴展了故障注入的適用范圍；

30、(4)本發(fā)明不單純依靠單粒子輻照試驗對系統(tǒng)單粒子防護可靠性評估，從而減少對單粒子試驗的依賴，提升評估系統(tǒng)抗seu評估效率。

技術特征：

1.一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法，其特征在于，根據(jù)確定的處理器核心id，提取原始指令流的方法如下：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法，其特征在于，將提取到的原始指令流格式化為動態(tài)指令流，格式化內(nèi)容如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法，其特征在于，易受單粒子翻轉(zhuǎn)影響的指令，包括加載與存儲指令、整數(shù)與浮點運算指令、邏輯運算指令以及跳轉(zhuǎn)指令。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法，其特征在于，以篩選后的動態(tài)指令流文件進行隨機分布截取動態(tài)指令，將gdb調(diào)試器通過thread命令切換到要注入的處理器核心id。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法，其特征在于，根據(jù)截取的動態(tài)指令，創(chuàng)建故障注入斷點，根據(jù)注入指令的執(zhí)行次數(shù)確定停止位置，實現(xiàn)方法如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法，其特征在于，位翻轉(zhuǎn)的實現(xiàn)是通過目標資源值與故障掩碼進行按位異或?qū)崿F(xiàn)的，根據(jù)按位異或的二進制加法特性，當注入位的值與1異或運算，會將對寄存器當前值進行0或1的翻轉(zhuǎn)，而其他值保持原始值，從而實現(xiàn)按位翻轉(zhuǎn)的故障注入。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法，其特征在于，注入故障后，通過應用程序執(zhí)行結(jié)果，判斷故障注入對系統(tǒng)運行影響，評估系統(tǒng)設計可靠性。

技術總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于動態(tài)指令流的高效多核處理器故障注入方法，該方法基于程序動態(tài)指令級執(zhí)行劃分的細粒度時間執(zhí)行注入，通過對單粒子輻照效應敏感的指令特征寄存器的故障注入，模擬多核處理器不同功能資源受到空間輻照效應的影響，達到快速、高效評估系統(tǒng)可靠性設計目的，減少了對單粒子試驗的依賴，實現(xiàn)了精度可控的注入時機，提升故障注入的準確率進和系統(tǒng)抗SEU評估效率。

技術研發(fā)人員：高翔,賴曉玲,翟盛華,巨艇,朱啟
受保護的技術使用者：西安空間無線電技術研究所
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/9