Hataya bağışıklı mikroişlemci tasarımı

Bu tez kapsamında gömülü mikroişlemcilerin içerisinde meydana gelebilecek hatalara rağmen işlevine devam edebilmesi için devreyi güçlendirmeye yönelik tasarım yapılmıştır. Mikroişlemciler birçok güvenliği kritik gömülü sistem uygulamalarında kullanılmaktadır ve sistemlerde bir beyin görevi gördüğü için düzgün bir şekilde çalışması kritik önem taşımaktadır. Transistör boyutlarının küçültülmesi devrelerin hatalara daha yakın olmasına yol açmakta ve bu sorun sistemlerde güvenilirlik problemini beraberinde getirmektedir. Üretim hataları, yıpranma gibi etkenlerin yanısıra elemanların faydalı çalşma ömrü içerisinde radyasyon gibi çevresel etkilerin yol açtığı tek durum etkileri kombinezonsal devrelerdeki lojik hatalar veya bellek hücrelerindeki verilerin değişmesine sebep olan bit bozumaları gibi geçici hatalara ve artan oranla olu¸san geçici etkiler sonucu kalıcı hata olu¸sumlarına sebep olmaktadır. Bu sebeplerden dolayı hataya bağışıklı tasarım göz ardı edilemeyecek derecede gerekli ve önemli olmaktadır. Bu çalışmada ilk olarak bir devrenin hatalar varken davranışının gözlemlenebilmesi için bir sistem gerçeklenmi¸stir. Öncelikle hata üretim devresi tasarlanmıştır. Ardından test edilecek tasarım olarak 8-bitlik İndirgenmiş Komut Takımı Bilgisayarı (Reduced Instruction Set Computing-RISC) mimarisi ile tasarlanmış Natalius mikroişlemcisi seçilmiştir. Gerekli ara birimler oluşturulup bağlantılar yapılmış ve sonuçlar elde edilerek grafikler yorumlanmıştır. Kaydedici dosyası, mikroişlemci içerisinde sıklıkla erişilen kısımdır. Aritmetik ve mantıksal işlemler bu birim üzerinden yapılır ve içerisine gelebilecek bir hatanın tüm sistemi etkilemesi olasıdır. Bu nedenle mikroişlemcilerdeki kaydedici dosyalarını korumak için literatürde yer alan hataya karşı bağışıklık kazandırma yöntemleri incelenmiştir. Bu yöntemlerden donanım yedeklemesi sınıfına giren üçlü modül çoğullama yönteminin çoğunluk oylama devresinden ve bilgi yedeklemesi sınıfına giren matris kodlarının koruma bitleri hesaplarından faydalanılarak çoklu bit bozulmalarına karşı veriyi koruyan kodseti adında yeni bir yöntem önerilmi¸stir. TMR yöntemi 3 adet eş modül bulundurur ve çıkı¸sa ço˘gunluk oylamasına göre karar verilir. Herhangi bir yere gelen hata maskelenir. Matris kodları ise hata tespit etme ve düzeltme kapasitesine sahiptir ve bu amaçla eşlik ve kontrol bitleri hesaplanır. Tasarımdaki temel fikir, kaydedici bitlerine ardı¸sık olarak gelen hatalara karşı bir yöntem geli¸stirmektir. Bu nedenle veri kodsetlerine ayrılır. Ayrıca rastgele bitlere gelen hatalara karşı da veri korunabilmektedir. Eşlik ve kontrol bitlerine gelen hataların orjinal veriyi yanlış düzeltmesini engellemek için oylama mekanizması geliştirilmiştir. 2, 4 veya 8 biti koruyabilecek şekilde ayarlanabilir olması nedeniyle kullanışlı bir yöntem olmaktadır. Bu yöntemi mikroi¸slemci içerisinde uygulayabilmek için MIPS mimarisi ile 32-bitlik hem tek çevrim hem de iş hatlı mikroişlemci tasarımı yapılmıştır. Mikroişlemci üzerinde uygulama kodu çalı¸stırmak için Gelişmiş Şifreleme Standartı algoritması seçilmiş ve şifreleme modülü eklenerek komut geni¸sletmesi yapılmıştır. Kaydedici dosyasının hataya karşı bağışıklık kazandırma yöntemleriyle tasarımı yapılmıştır. Hata üretim devresi kullanılarak farklı durumlarda simülasyon çıktıları alınmıştır. Tasarımlar TSMC 90 nm teknolojisinin standart kütüphanesi ile Cadence firmasının RTL Compiler aracı kullanılarak sentezlenip yerle¸simleri yapılmış alan, maksimum çalı¸sma frekansı bilgileri verilmiştir. Ayrıca güvenilirlik analizleri yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır.