一种面向CPU流水线的错误恢复电路制造技术

本发明专利技术公开一种面向CPU流水线的错误恢复电路，包括片上监测电路（1）、错误信号统计模块（2）、电压频率控制模块（3）、错误恢复控制模块（4）、原地错误恢复模块（5）和上层错误恢复模块（6），所述片上监测电路（1）集成在具有N级流水线结构的CPU内核的前N-1级流水线的各级流水线末端，监测工作电路每个时钟周期的时序信息，其中N是大于等于3且小于20的正整数。本发明专利技术提供了对具有N级流水线的CPU内核的在线时序监测，寻找电路的最低可能工作电压，减小在设计阶段为电路预留的工作电压余量，从而大幅度降低电路功耗，地提高电路的能效。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种面向CPU流水线的错误恢复电路，具体涉及一种基于片上错误监测，面向CPU流水线应用并根据监测结果可切换的错误恢复电路，属于集成电路设计领域。
技术介绍
随着晶体管尺寸的不断缩小，单位面积上集成的晶体管数急剧增加，集成电路的功耗问题成为和功能、面积同等重要的考虑因素。旨在降低电路功耗的动态电压频率调节(DVFS)技术，因其显著地效果，逐渐成为重要的低功耗技术。动态电压频率调节依赖于对主电路工作状态和性能的监测。系统级监测手段主要是传感器，这种方法能一定程度地反映系统当前工作情况，但是片外监测往往依赖于传感器的精度，且很难选择可靠的监测点，因而难以真实反映芯片内部各部分的实际情况。在芯片内部插入关键单元和复制关键路径的方法可以较真实地反映芯片内部全局参数的变化，但由于这些副本与关键单元和路径所处的片内环境并不完全相同，对局部参数，如局部噪声、工艺波动的变化并不敏感，因而它们反映出的也不是电路的真实情况，大大影响了电压调节的效果。片上监测方法通过在系统芯片主电路关键路径的末端插入片上监测电路，实时监测电路的工作情况，将工艺偏差、电源电压波动、温度变化、噪声等因素的影响归结为关键路径上的片上监测电路延时特性的变化。当电压降低到电路会出现错误的临界电压以下时，片内逻辑就会出现时序违规，这些时序违规被片上监测电路监测，就会产生相应的错误信号，作为工作电压调节模块的调节依据。片上监测的方法可以实时监测主电路在工作时的出错水平，反映全局和局部扰动对电路的真实影响，同时通过引入错误纠正机制，可进一步释放主电路设计阶段为克服工艺偏差、工作电压波动、温度变化、环境噪声等不利影响预留的电压余量，对工作电压进行动态的调节，从而使功耗达到最优。基于片上监测的动态电压频率调节技术，将电路的工作条件，如温度、工艺、噪声等的变化归结为电路的时序变化，通过片上监测手段实时监测电路工作的时序变化，指导电路动态地调节工作参数。只有找到满足系统性能的最低工作电压点，才能尽可能地减小电路设计时为最坏情况(Worst Case)预留的电压或频率余量，以获得最大的功耗收益。在动态地寻找系统工作任意时刻的最低电压点时，会让系统产生出错的风险，因此必须设置一定的错误恢复机制，在系统出错时，可以帮助其从错误状态中恢复过来。国内外实现这种错误恢复的方式主要有两种原地错误恢复方式和上层错误恢复方式。原地错误恢复方式是在电路的片上监测单元监测到时序错误后，使用门控时钟的方法，将电路的时钟信号暂停一个周期，在此期间用正确的信号取代错误信号输出。在同一个周期中流水线各级产生的错误都可以在暂停的一个时钟周期内被恢复，但是对于不同周期中产生的错误必须分别在出错后立即暂停时钟信号进行恢复。这种错误恢复方式的片上监测单元结构复杂，监测单元本身的功耗较高；且对于工作电压、频率以及温度等工作条件使电路频繁出错时，对每个出错的时钟周期，CPU时钟都要暂停一个周期等待错误信号的恢复，因此恢复时的代价较高，极大影响了系统的吞吐率且降低功耗效果不显著。上层错误恢复方式多用于流水线结构的设计中，也须借助于片上监测单元，与原地恢复不同的是，这种恢复方式将所有同一个周期中产生的错误都归结为一个错误，而且在片上监测单元监测到时序错误后，并不立即进行改错，而是等待流水线中没有出错的各级操作执行完成，即等待出错的那一级操作随流水线执行至最后一级之前，然后通过重新执行出错的指令来恢复错误。在重新执行出错的指令时，该指令后面的指令也在重新执行，因此上层恢复方式可以通过一次恢复操作完成对一个流水线周期(指填充满流水线所要花费的周期数，为N个周期，N为流水线级数)中所有错误的恢复。这种恢复方式进行一次恢复要耗费N个周期，当系统错误率很高，同一个流水线周期中有多个错误产生时，这些错误都可以通过一次上层恢复而得到恢复。因此在系统错误率较高时，上层错误恢复方式对系统吞吐率的影响更小，降低功耗的效果更好；但是当系统错误率较低时，恢复时的代价较高，降低功耗效果不明显。目前动态电压频率调节电路的恢复方式只是单一地使用上面两种方式中的一种，但是其系统应用具有较大的局限性，对于需要在比较宽的频率范围内工作的应用，错误率的变化较大，单一的错误恢复方式很难使系统的吞吐率和功耗达到最优化。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的在于针对现有片上监测系统中错误恢复方式的局限性，提供一种面向CPU流水线的错误恢复电路，可以在片上监测电路监测到电路时序错误后，根据电路的系统需求和工作状态动态地选择系统的错误恢复方式，能够在原地错误恢复方式和上层错误恢复方式两种错误恢复方式间灵活切换。技术方案本专利技术所述的面向CPU流水线的错误恢复电路，包括片上监测电路、错误信号统计模块、电压频率控制模块、错误恢复控制模块、原地错误恢复模块和上层错误恢复模块。所述片上监测电路集成在具有N级流水线结构的CPU内核的前N-1级流水线的各级流水线末端，监测工作电路每个时钟周期的时序信息，其中N是大于等于3且小于20的正整数；所述片上监测电路将监测到的错误信号送入所述错误信号统计模块。所述错误信号统计模块统计一段时钟周期内错误信号数量占总的周期数的百分比，即为错误率Rerr0ro所述电压频率控制模块控制系统工作电压与频率的升高和降低，同时控制调节的精度，所述电压频率控制模块和所述错误统计模块分别将系统状态和错误率Rotot送入所述错误恢复控制模块；所述电压频率控制模块根据所述错误恢复控制模块中的相应控制信号进行系统工作电压与频率的调节。所述错误恢复控制模块中有设定好的比较阈值Tthreshtjld,并根据阈值比较选择机制的结果，确定将原地错误恢复方式选择信号输入到原地错误恢复模块或将上层错误恢复方式选择信号输入到上层错误恢复模块，动态选择原地错误恢复方式或上层错误恢复方式，并将电压频率调节信号送到所述电压频率控制模块，指导系统状态的调节，实现两种不同错误恢复方式的动态切换。所述片上监测电路中包括主锁存器电路、从锁存器电路、影子锁存器电路、错误信号产生电路、原地错误纠正选择器、亚稳态监测电路和错误信号整合电路；通过在时钟上升沿和下降沿分别对输入信号采样，将采样结果对比，判断电路是否出现时序违规，同时实现原地错误恢复时的数据替换功能。其中主锁存器电路与影子锁存器电路的输入端与片上监测电路的数据输入端相连；主锁存器电路的原地待恢复数据信号与影子锁存器电路的原地恢复数据信号连接到原地错误纠正选择器输入端，原地错误恢复控制信号输入端连接到原地错误纠正选择器的另一个输入端；原地错误纠正选择器的原地恢复数据输出信号连接到从锁存器电路；从锁存器电路的输出信号分别连接到数据输出端、亚稳态监测电路输入端、错误信号产生电路输入端；影子锁存器电路的延迟采样数据输出信号连接到错误信号产生电路的另一个输入端；错误信号产生电路产生时序监测错误信号输入到错误信号整合电路输入端；亚稳态监测电路产生的亚稳态监测错误信号输入到错误信号整合电路的另一个输入端；错误信号整合电路的输出为上监测电路的错误信号输出端。所述片上监测电路包括两个输入端口和两个输出端口，分别为数据输入端、原地错误恢复控制信号输入端、数据输出端和错误信号输出端。数据输入端与片上监测电路所插入位置的前一级流水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向CPU流水线的错误恢复电路，包括片上监测电路（1）、错误信号统计模块（2）、电压频率控制模块（3）、错误恢复控制模块（4）、原地错误恢复模块（5）和上层错误恢复模块（6），其特征在于：所述片上监测电路（1）集成在具有N级流水线结构的CPU内核的前N?1级流水线的各级流水线末端，监测工作电路每个时钟周期的时序信息，其中N是大于等于3且小于20的正整数；所述片上监测电路（1）将监测到的错误信号送入所述错误信号统计模块（2）；所述错误信号统计模块（2）统计一段时钟周期内错误信号数量占总的周期数的百分比，即为错误率Rerror；所述电压频率控制模块（3）控制系统工作电压与频率的升高和降低，同时控制调节的精度，所述电压频率控制模块（3）和所述错误统计模块（2）分别将系统状态和错误率Rerror送入所述错误恢复控制模块（4）；所述电压频率控制模块（3）根据所述错误恢复控制模块（4）中的相应控制信号进行系统工作电压与频率的调节；所述错误恢复控制模块（4）中有设定好的比较阈值Tthreshold，并根据阈值比较选择机制的结果，确定将原地错误恢复方式选择信号输入到原地错误恢复模块（5）或将上层错误恢复方式选择信号输入到上层错误恢复模块（6），动态选择原地错误恢复方式或上层错误恢复方式，并将电压频率调节信号送到所述电压频率控制模块（3），指导系统状态的调节，实现两种不同错误恢复方式的动态切换。...

【技术特征摘要】
1.一种面向CPU流水线的错误恢复电路，包括片上监测电路(I)、错误信号统计模块(2)、电压频率控制模块(3)、错误恢复控制模块(4)、原地错误恢复模块(5)和上层错误恢复模块(6)，其特征在于所述片上监测电路(I)集成在具有N级流水线结构的CPU内核的前N-1级流水线的各级流水线末端，监测工作电路每个时钟周期的时序信息，其中N是大于等于3且小于20的正整数；所述片上监测电路(I)将监测到的错误信号送入所述错误信号统计模块(2)；所述错误信号统计模块(2)统计一段时钟周期内错误信号数量占总的周期数的百分比，即为错误率Rotot;所述电压频率控制模块(3)控制系统工作电压与频率的升高和降低，同时控制调节的精度，所述电压频率控制模块(3)和所述错误统计模块(2)分别将系统状态和错误率Rotot 送入所述错误恢复控制模块(4);所述电压频率控制模块(3)根据所述错误恢复控制模块(4)中的相应控制信号进行系统工作电压与频率的调节；所述错误恢复控制模块(4)中有设定好的比较阈值Tttoestold,并根据阈值比较选择机制的结果，确定将原地错误恢复方式选择信号输入到原地错误恢复模块(5)或将上层错误恢复方式选择信号输入到上层错误恢复模块(6)，动态选择原地错误恢复方式或上层错误恢复方式，并将电压频率调节信号送到所述电压频率控制模块(3)，指导系统状态的调节，实现两种不同错误恢复方式的动态切换。2.根据权利要求1所述的面向CPU流水线的错误恢复电路，其特征在于所述片上监测电路(I)包括主锁存器电路、从锁存器电路、影子锁存器电路、错误信号产生电路、原地错误纠正选择器、亚稳态监测电路和错误信号整合电路；通过在时钟上升沿和下降沿分别对输入信号采样，将采样结果对比，判断电路是否出现时序违规，同时实现原地错误恢复时的数据替换功能；其中主锁存器电路与影子锁存器电路的输入端与片上监测电路的数据输入端相连；主锁存器电路的原地待恢复数据信号与影子锁存器电路的原地恢复数据信号连接到原地错误纠正选择器输入端，原地错误恢复控制信号输入端连接到原地错误纠正选择器的另一个输入端；原地错误纠正选择器的原地恢复数据输出信号连接到从锁存器电路；从锁存器电路的输出信号分别连接到数据输出端、亚稳态监测电路输入端、错误信号产生电路输入端；影子锁存器电路的延迟采样数据输出信号连接到错误信号产生电路的另一个输入端；错误信号产生电路产生时序监测错误信号输入到错误信号整合电路输入端；亚稳态监测电路产生的亚稳态监测错误信号输入到错误信号整合电路的另一个输入端；错误信号整合电路的输出为上监测电路的错误信号输出端。3.根据权利要求2所述的面向CPU流水线的错误恢复电路，其特征在于所述片上监测电路(I)包括两个输入端口和两个输出端口，分别为数据输入端、原地错误恢复控制信号输入端、数据输出端和错误信号输出端；数据输入端与片上监测电路所插入位置的前一级流水线的数据信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：单伟伟，田朝轩，朱肖，郭银涛，茅锦亮，金海坤，孙华芳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
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