Fault Detection Methodology for Caches in Reliable Modern VLSI Microprocessors based on Instruction Set Architectures

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εισάγει μία χαμηλού κόστους μεθοδολογία για την ανίχνευση ελαττωμάτων σε μικρές ενσωματωμένες κρυφές μνήμες που βασίζεται σε σύγχρονες Αρχιτεκτονικές Συνόλου Εντολών και εφαρμόζεται με λογισμικό αυτοδοκιμής. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζει αλγορίθμους March μέσω λογισμικού για την ανίχνευση τόσο ελαττωμάτων αποθήκευσης όταν εφαρμόζεται σε κρυφές μνήμες που περιέχουν μόνο στατικές μνήμες τυχαίας προσπέλασης όπως για παράδειγμα κρυφές μνήμες επιπέδου 1, όσο και ελαττωμάτων σύγκρισης όταν εφαρμόζεται σε κρυφές μνήμες που περιέχουν εκτός από SRAM μνήμες και μνήμες διευθυνσιοδοτούμενες μέσω περιεχομένου, όπως για παράδειγμα πλήρως συσχετιστικές κρυφές μνήμες αναζήτησης μετάφρασης. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζεται και στις τρεις οργανώσεις συσχετιστικότητας κρυφής μνήμης και είναι ανεξάρτητη της πολιτικής εγγραφής στο επόμενο επίπεδο της ιεραρχίας. Η μεθοδολογία αξιοποιεί υπάρχοντες ισχυρούς μηχανισμούς των μοντέρνων ISAs χρησιμοποιώντας ειδικές εντολές, που ονομάζονται στην παρούσα διατριβή Εντολές Άμεσης Προσπέλασης Κρυφής Μνήμης (Direct Cache Access Instructions - DCAs). Επιπλέον, η προτεινόμενη μεθοδολογία εκμεταλλεύεται τους έμφυτους μηχανισμούς καταγραφής απόδοσης και τους μηχανισμούς χειρισμού παγίδων που είναι διαθέσιμοι στους σύγχρονους επεξεργαστές. Επιπρόσθετα, η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζει την λειτουργία σύγκρισης των αλγορίθμων March όταν αυτή απαιτείται (για μνήμες CAM) και επαληθεύει το αποτέλεσμα του ελέγχου μέσω σύντομης απόκρισης, ώστε να είναι συμβατή με τις απαιτήσεις του ελέγχου εντός λειτουργίας. Τέλος, στη διατριβή προτείνεται μία βελτιστοποίηση της μεθοδολογίας για πολυνηματικές, πολυπύρηνες αρχιτεκτονικές.The present PhD thesis introduces a low cost fault detection methodology for small embedded cache memories that is based on modern Instruction Set Architectures and is applied with Software-Based Self-Test (SBST) routines. The proposed methodology applies March tests through software to detect both storage faults when applied to caches that comprise Static Random Access Memories (SRAM) only, e.g. L1 caches, and comparison faults when applied to caches that apart from SRAM memories comprise Content Addressable Memories (CAM) too, e.g. Translation Lookaside Buffers (TLBs). The proposed methodology can be applied to all three cache associativity organizations: direct mapped, set-associative and full-associative and it does not depend on the cache write policy. The methodology leverages existing powerful mechanisms of modern ISAs by utilizing instructions that we call in this PhD thesis Direct Cache Access (DCA) instructions. Moreover, our methodology exploits the native performance monitoring hardware and the trap handling mechanisms which are available in modern microprocessors. Moreover, the proposed Methodology applies March compare operations when needed (for CAM arrays) and verifies the test result with a compact response to comply with periodic on-line testing needs. Finally, a multithreaded optimization of the proposed methodology that targets multithreaded, multicore architectures is also presented in this thesi