[发明专利]一种面向CPU流水线的错误恢复电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种面向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。

背景技术

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。

发明内容