ARM双核锁步DCLS Lockstep技术研究（FPGA实现）

基于《Applying Dual-Core Lockstep in Embedded Processors to Mitigate Radiation-induced Soft Errors》文章总结

RISC-V双核锁步DCLS Lockstep技术参考之前文章：

ARM+RISC-V异构双核锁步DCLS Lockstep技术参考之前文章：

一、ARM双核Lockstep架构

文中提出的ARM双核lockstep架构如下图所示，该架构中有两个CPU、两个BRAM、一个checker和一个DDR Memory。为了防止两个CPU同时竞争DDR中的资源，每个CPU均配置了一个最大64KB大小的BRAM。

二、程序执行过程

带有lockstep的程序流程如下图b所示，a为原始不带lockstep功能的程序。所有a中execution program将全部放入execution block中，中间通过VP(Verification Point)隔断。复位完成后，程序会对数据和寄存器进行初始化，然后会进入VP程序，此时程序会被stall住。VP阶段首先会发送程序的应用签名，该方法在应用程序上附加代码，通过计算发送给BRAM用于Checker对比。签名值是当前CPU状态和内部信息的表征，可以通过校验位、XOR掩码等方式计算得到，能够使用的处理器内部信息包括CPU内部寄存器：R0-R12；SP；LR；PC等。

使用中断机制来访问处理器内部信息，由于中断过程会将寄存器的值存储在堆栈中，这样中断服务程序可以方便的观察checkpoint时的寄存器数值差异。当CPU接收到中断后，将会执行下述步骤：

• 实际的执行程序会被中止；
• 处理器的寄存器数值保持到堆栈中，执行程序现场被保存；
• 中断服务程序被执行；
• 中断服务程序结束时，处理器从堆栈中恢复现场；
• 继续执行程序。

在VP阶段时，Checker产生中断进入中断服务程序，然后等待BRAM中的数据ready，随后完成两个BRAM中的应用签名对比或寄存器数值对比。如果对比没有错误，表示当前两个CPU运行一致，继续执行下一段程序直到checkpoint。如果对比错误，则Checker会产生错误异常中断，告知CPU回卷程序并恢复之前程序。在Checker对比完成后，Checker会将对比结果重新写回BRAM来解锁程序，让程序继续执行。

三、Checker模块

Checker使用RTL硬件实现，负责对比程序一致性和控制lockstep前进。为了识别是否有错误，Checker会比较两端CPU的所有输出。对比可以使用两种方法实现：一种是对比所有CPU输出到BRAM中的数据；另一种是只对比应用签名。如果使用前者，对比过程可能需要更多的硬件逻辑来实现，但能保证所有数据没有错误；如果使用后者，需要提前计算好应用签名，但能够有效的提高对比速率和降低硬件逻辑资源。

四、检查点和回卷操作

当Checker验证系统出错时，它会产生中断请求CPU访问BRAM，并修改CPU堆栈内容。根据是否允许访问DDR，将回卷过程分为两种：

• 只允许访问BRAM：处理器内容只保持在BRAM中，回卷时会将BRAM中的数值覆盖CPU内部寄存器。
• 可访问BRAM和DDR：CPU信息会同时存入BRAM和DDR中，回卷时首先从BRAM中读取信息覆盖CPU内部寄存器，如果多次回卷仍然无法通过该checkpoint，那么程序会启动去DDR读取信息。

如果程序连续出现两次回卷，且中间没有checkpoint，则表明checkpoint出现了错误。如果多次尝试失败，此时系统需要恢复到第一次保存的程序位置，从数据初始化完成后重新运行程序。如果还是不能解决问题，那么需要产生硬件复位重新初始化两边寄存器和程序数据。

五、设计总结

上图是整个过程的总结，程序的整个流程如上左图所示，其中VP阶段的具体流程如上右图所示。