檢查微處理器或微控制器的計算機核心的方法
2023-05-14 19:47:16
專利名稱：檢查微處理器或微控制器的計算機核心的方法
技術領域：
本發明涉及檢查微處理器或微控制器的計算機核心的按規定的功能的一種方法。該計算機核心包含多個分別具有各多個電晶體的門電路。在該方法中在電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行期間周期性地進行自檢。在自檢的範圍內檢查計算機核心的門電路的規定的功能。
此外本發明涉及用於檢查微處理器或微控制器的計算機核心的按規定的功能的一種自檢。該計算機核心包含多個分別具有多個電晶體的門電路。在電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行期間可以以周期的運行中實施該自檢。對此該自檢檢查計算機核心的門電路的按規定的功能。
最後本發明涉及具有一個計算機核心的微處理器或微控制器，該計算機核心具有多個分別具有多個電晶體的門電路。在計算機核心上可以實施用於檢查計算機核心的按規定的功能的自檢。可以在電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行期間以周期的運行實施該自檢。對此該自檢檢查計算機核心的門電路的按規定的功能。
技術狀況計算機核心的自檢也稱為內置自檢(BIST)。不同的自檢方法例如公開於DE 4305288 A1和Bhl.E及其他人發表於InternationalTest Conference，Paper24.1，567至577頁，0-7803-4209-7/97，1997 IEEE的文章「The Fail-Stop Controller AEll」。本發明主要涉及該出版文獻。
「電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行」是指，例如在控制設備的微處理器或微控制器上執行控制程序，通過該控制程序才使微處理器或者控制設備能夠實現其控制功能。微處理器或微控制器的計算機核心也稱為中央處理器(CPU)或核心。
從汽車控制設備領域已知為了在控制設備的按規定運行期間檢查控制設備的計算機核心的功能，預先規定具有相同計算性能的兩個計算機。這也被稱為冗餘的計算機方案。在兩個計算機上執行控制或者調節算法。兩個計算機的控制或者調節算法的結果彼此不斷比較。在結果彼此出現顯著偏差的情況下在兩個計算機中的一個計算機中有錯誤並且斷開整個系統，以便避免錯誤的控制或者調節。
可是在這個從現技術狀況中已知的、用於檢查控制設備的微處理器或微控制器的計算機核心的按規定的功能的方法中缺點是，在控制設備的按規定運行中、也就是說在執行控制或者調節程序時才出現的錯誤導致在一個時刻斷開控制設備，在該時刻控制或者調節功能可能是特別重要的。在對汽車的穩定調節中，例如如果汽車有滑向一旁的危險，那該調節是有用的。如果在這種情況下檢測到控制設備的計算機核心發生錯誤並斷開該控制設備，因此該調節不起作用，這可能導致危險的情況直至汽車滑向一旁。
為了消除這些缺點，研製了例如從DE 195 00 188 A1中公開的所謂分集計算機方案，在該方案中第一計算機、所謂的算法計算機性能高於第二計算機、所謂的監控計算機。在算法計算機上執行真正的控制或者調節算法和附加的校驗計算。如同控制或調節算法，在同一微處理器或微控制器上、可是在不同的時間分段中實施校驗計算。在每次調用校驗計算時檢查計算機核心的確定範圍、也就是說確定的門電路的按規定的功能。如果該算法計算機沒有按規定運行，也就是說沒有執行控制或者調節程序，這時利用校驗計算也可以識別算法計算機的計算機核心的錯誤。該校驗計算可以被稱為是一種自檢。
在監控計算機上執行同樣的校驗計算。校驗計算的結果被相互比較，在結果相互出現顯著偏差的情況下在算法計算機的計算機核心內有錯誤並且斷開該算法計算機，以便避免錯誤的控制或者調節。藉助於該校驗計算可以達到算法計算機的計算機核心的所有門電路的80％至85％的檢測覆蓋。
必須依然根據在監控計算機上控制或者調節算法的模擬和模擬的結果與算法計算機的實際結果的比較檢查算法計算機的計算機核心的剩餘15％至20％的門電路的按規定的功能。因此對於計算機核心的這15％至20％的門電路依然存在上述問題，也許在算法的按規定運行中、也就是說例如在執行控制或者調節程序時才可能出現並識別故障。此外在監控計算機中控制或者調節算法的模擬導致，在改變真正的控制或者調節算法時也必須改變模型。也就是有兩組開發人員不斷進行工作，以便一方面改進真正的控制或者調節算法並且另一方面改進模型。這意味著可觀的人工費用和成本。
本發明的任務是，如此檢查微處理器或微控制器的計算機核心的按規定的功能，以致避免上述缺點。尤其是該功能檢查應也能及早檢測在微處理器或微控制器的按規定運行中才出現的這種錯誤，並且儘可能放棄使用控制或者調節算法的模型。
為了解決該任務建議以開始提到的那種方法為出發點，在執行自檢期間至少檢查計算機核心的、其狀態影響電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行的那些門電路。
本發明的優點根據本發明已認識到，在計算機核心中存在一些門電路，其狀態不影響電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行。例如固定在0或固定在1的這些門電路錯誤因此絕對不影響電腦程式的執行並因此不影響微處理器或微控制器的按規定的功能。此外認識到，不必由自檢檢查這些門電路，以便可以確保微處理器的按規定的功能。
對於本發明重要的是，首先確定自檢不包含的所有門電路，並且證明，這些門電路的狀態是不重要的，也就是說不影響確定的電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行。根據本發明雖然沒有實現完全的計算機核心的所有門電路的檢測覆蓋，可是檢查了所有重要的門電路。在本發明中可以放棄用於檢查自檢沒有覆蓋的門電路的、電腦程式的模擬、例如控制或者調節算法的模擬，因為這些門電路本來就不影響電腦程式的按規定執行。
根據本發明的有益的改進方案建議，通過-完成計算機核心的自檢方案；-檢查，計算機核心的自檢方案在執行期間不檢查的那個門電路的狀態是否影響電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行；-假如計算機核心的至少一個門電路的狀態影響電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行，自檢方案在執行期間不檢查該門電路，則通過如此擴展自檢方案，以致附加地至少檢查計算機核心的，自檢方案沒有檢查的並且其狀態影響電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行的那些門電路，完成完善的自檢；以及-假如自檢方案在執行期間不檢查的、計算機核心的門電路的狀態不影響電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行，則考慮該自檢方案作為完善的自檢。
根據本發明的優選實施形式建議，在這個檢查之前，即計算機核心的、自檢方案在執行期間不檢查的這些個門電路的狀態是否影響電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行，確定，自檢方案在執行期間不檢查計算機核心的那些門電路。
有益地在一個仿真器上實施這個確定，即自檢方案在執行期間不檢查計算機核心的那些門電路，在該仿真器上至少部分模仿計算機核心的門電路結構。
優選地在一個仿真器上實施這個檢查，即計算機核心的、自檢方案在執行期間不檢查的那些門電路的狀態是否影響電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行，在該仿真器上至少部分模仿計算機核心的門電路結構。
作為本發明任務的另外的解決方案，以開始提到的那種自檢為出發點建議，自檢在執行期間至少檢查計算機核心的、其狀態影響電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行的那些門電路。
作為本發明任務的另外的解決方案，以開始提到的那種微處理器或微控制器為出發點建議，在微處理器或微控制器上包含的自檢在執行期間至少檢查計算機核心的、其狀態影響電腦程式在微處理器或微控制器上的按規定執行的那些門電路。
附圖從本發明的、在圖中描述的實施例的下面說明中得出本發明的另外的特徵、應用可能性和優點。在此所有被說明的或被描述的特徵單獨地或任意的組合、獨立於在權利要求中對它們的概括或它們的反關係以及獨立於在說明書中或者在圖中的表達或圖示形成本發明的對象。圖指出
圖1用於實現根據本發明的、檢查微處理器按規定的功能的方法的分集計算機方案；圖2用於實現從現技術狀況中已知的、檢查微處理器按規定的功能的方法的分集計算機方案；圖3根據本發明的方法的流程圖；和圖4根據本發明的微處理器。
實施例的說明在圖4中以具有參考符號30的整體表示根據本發明的微處理器。經過一個適當的數據傳輸連接35微控制器30與主存儲器31並與一個輸入/輸出單元32連接。主存儲器31用於存儲計算量和電腦程式。通過輸入/輸出單元32從外圍設備讀入數據並向外圍設備輸出數據。
微處理器30具有一個計算機核心36，其也被稱為中央處理器(CPU)或核心。微處理器30包含一個控制器33和運算單元34。控制器33承擔在處理器30內部的過程控制以及控制主存儲器31和輸入/輸出單元32。該控制器促使從主存儲器31中讀出電腦程式的指令、判讀該指令並控制該指令的執行。從主存儲器31中讀出必須處理的運算數或該運算數經過輸入/輸出單元32被輸入運算單元34中，結果被寫入主存儲器31中或經過輸入/輸出單元32被輸出。對此運算單元34承擔運算數和結果的中間存儲並實施該運算數的邏輯與算術運算。
除了外部的主存儲器31外，該微處理器30本身具有一些存儲單元。其中一部分被預先規定用於在處理器30內部的特殊過程並且對於機器程序或者彙編編程不可以被直接支配。另外的部分象主存儲器31的存貯單元一樣可以被明確地調用並因此對程式設計師來說是可見的。
計算機核心36的電路主要由許多電晶體(沒有示出)組成。多個電晶體可以結合成為門電路。門電路的輸出端被稱作節點。節點可以被描述為在每個時刻具有明確行為的計算機核心電路的點。一個計算機核心包含例如大約100000個分別具有大約10至100個電晶體的門電路。
從Bhl.E及其他人發表於International Test Conference，Paper 24.1，567至577頁，0-7803-4209-7/97，1997 IEEE的文章「The Fail-Stop Controller AEll」中公開了一個微控制器，在該微控制器上同樣可以實施根據本發明的方法。強調涉及該出版文獻。
在圖2中描述了一個分集的計算機方案，比如公開於DE 195 00 188A1的方案。強調涉及該出版文獻。該計算機方案用於實施從現技術狀況中已知的、用於檢查汽車控制設備的微控制器30的計算機核心36的按規定的功能的方法。
在該分集計算機方案中預先規定兩個計算機。第一計算機、所謂的算法計算機1性能高於第二計算機、所謂的監控計算機2。在算法計算機1上執行具有真正控制或者調節算法3的電腦程式。此外在算法計算機1上實施校驗計算(CR)4。在校驗計算4中在限定的範圍內微處理器30執行檢查程序，經過輸出單元32截取並分析利用輸出信號。由算法計算機1在時間分段內平行於真正的控制或者調節算法3的實施聯機執行作為電腦程式的一部分、軟體方式實現的校驗計算4。當在時間分段內每次調用校驗計算時檢查計算機核心36的確定範圍、也就是說確定的門電路的按規定的功能。對於校驗計算4的完全運行在多個時間分段內調用校驗計算。在運行校驗計算之後不是所有的計算機核心36的門電路被檢查到。通常在校驗計算中達到算法計算機1的計算機核心36的所有門電路的大約80％至85％的檢查覆蓋。
在監控計算機2上同樣實施校驗計算(CR)5。對此檢查模擬計算機2的計算機核心36的門電路的按規定的功能。在算法計算機1上實施的校驗計算4的結果與在模擬計算機2上實施的校驗計算5的結果彼此進行比較。在結果彼此出現顯著偏差的情況下，在算法計算機1的計算機核心36中有錯誤並且斷開該算法計算機，以便避免錯誤的控制或者調整。
如果算法計算機沒有按規定運行、也就是說如果沒有執行控制或者調整程序，那麼利用校驗計算也可以識別出算法計算機1的計算機核心36的錯誤。校驗計算可以稱為一種自檢。
必須根據在監控計算機2上的電腦程式、例如控制或者調節算法3的模型6和監控計算機2的模擬結果與算法計算機1的實際結果的比較檢查算法計算機1的計算機核心36的剩餘15％至20％的、校驗計算沒有包含的門電路的按規定的功能。在監控計算機2上在模型6中模擬控制或者調節算法3。真正的控制或者調節算法3的結果與模擬的控制或者調節算法的結果彼此進行比較。在結果彼此出現顯著偏差的情況下在算法計算機1的計算機核心36中有錯誤並斷開該算法計算機。通過這種方式雖然可以檢查校驗計算沒有覆蓋到的、微處理器30的門電路的故障。可是對於這些算法計算機1的微處理器30的15％至20％的門電路存在這個問題，即也許在微處理器30的按規定運行中、也就是說在執行控制或者調節程序時才出現並可以識別故障。此外在監控計算機2中控制或者調節算法的模型6導致，在改變控制或者調節算法3的情況下也必須改變模型6。
因此根據本發明建議在圖1中示出的分集計算機方案，在該方案中已知的校驗計算擴展成為完全的自檢7、8、所謂的內置自檢(BIST)。作為BIST 7的基礎可以動用由半導體生產商在生產計算機核心36的過程中使用的測試矢量。在BIST 7中由算法計算機1執行測試程序，生成的結果(籤名)作為輸出信號在微處理器30的輸出端上被截取並被分析利用。
為了分析利用測試結果，該結果經過串行數據接口提供給監控計算機2使用。在監控計算機中算法計算機1的BIST 7的測試結果和監控計算機2的BIST 8的測試結果彼此進行比較。在檢測到錯誤的情況下安全斷開算法計算機1直到下一次接通電源電壓(硬體復位)。代替分離的監控計算機2第二個獨立的計算機元件也可以與算法計算機一起作為ASIC(Application Specific Integrated Circuit；專用集成電路)集成在一個公共的硬體組件上。
由算法計算機1在時間分段內平行於真正的控制或者調節算法3的實施聯機執行作為在微處理器30上運行的電腦程式的一部分、軟體方式實現的BIST 7。當在一個時間分段內每次調用BIST 7時檢查計算機核心36的確定範圍、也就是說確定門電路的按規定的功能。對於BIST 7的運行必須多次調用BIST。BIST的運行持續大約幾毫秒(例如3ms)。在運行BIST之後達到算法計算機1的計算機核心36的所有門電路的大約90％至95％的檢測覆蓋。
對於BIST沒有包含的、剩餘的5％至10％門電路可以通過仿真驗證，這些門電路的狀態沒有影響確定的電腦程式、特別是控制或者調節算法在微處理器30上的按規定執行。為了保證這5％至10％的門電路的按規定的功能也不必-象在現技術狀況中一樣-使用電腦程式的模型6。以根據本發明的方法可以實現應用獨立地檢查微處理器30的功能並同時實現完全檢查計算機核心的所有重要門電路。
為了實現根據本發明的方法，首先必須確定，由BIST 7檢查算法計算機1的計算機核心36的那些門電路的按規定的功能或者BIST 7不檢測那些門電路。對於BIST 7不檢測的門電路，於是必須為了在微處理器30上執行的確定電腦程式而確定，這些門電路的狀態是否影響該電腦程式的按規定執行。
可以藉助於模擬計算機、所謂的矽仿真器確定二者。在模擬計算機上以可編程的門電路(FPGAField Programmable Gate Arrays現場可編程門陣列)模擬計算機核心36的門電路結構。藉助於來自計算機核心36的生產商並且說明計算機核心特性的網絡表來編程模擬計算機。門電路處在由計算機、特別是由工作站控制並操作的仿真盒中。仿真盒與工作站形成模擬計算機。
通過故障仿真的方法驗證BIST的有效性。仿真提供代表故障覆蓋程度的、作為按百分比計算的量的特徵數。在故障仿真時為指令測試在仿真計算機上運行具有算法計算機1的計算機核心36的無故障和有故障模型的指令測試程序。如果指令測試程序確定偏差，則識別出故障。所有指令測試程序的整體形成計算機核心36的BITS 7。BIST沒有發現的每個單故障在另外的過程中是在下個步驟中執行的故障仿真的輸入變量。
在模擬計算機的門電路模型上實施故障仿真，以便確定門電路的狀態對電腦程式的按規定執行的影響。根據這個事實，即故障仿真器與算法計算機1的外圍設備合作，可以確定通過BIST沒有發現的故障對整個系統的影響。
如果在故障模擬和故障仿真的範圍內發現算法計算機1的計算機核心36的一個門電路，其一方面不是由BIST檢測並且其另一方面影響電腦程式的按規定執行，則可以這樣相應擴展或改變BIST，使得該門電路也由BIST檢測。因此在一個重複的過程中如此進一步擴展BIST 7，以致識別全部關鍵的剩餘故障並因此保證系統安全。
在圖3中示出了根據本發明的方法的流程圖。在功能塊10中開始該方法。在功能塊11中完成算法計算機1的計算機核心36的BIST方案。可以獨立於電腦程式(例如具有控制或者調節算法)完成該方案，以後應在微處理器30執行該程序。可是也可以設想，在BIST的方案中已經考慮以後應在微處理器30上執行的電腦程式。通常在計算機核心36的生產商處完成方案。
在功能塊12中實施故障模擬，以便為IBST的方案確定方案的有效性，也就是說以便確定，該方案不檢查那些門電路。然後在功能塊13中實施故障仿真。故障模擬和故障仿真二者在電腦程式的設計者處在模擬計算機中實施，該電腦程式在微處理器30上執行。在故障仿真時分別為BIST的方案在執行期間不檢查的門電路確定，該門電路的狀態是否影響電腦程式在微處理器30上的按規定執行。如果影響，則從一個詢問塊14分支到功能塊15，功能塊15在一個故障存儲器中存放當前門電路的標記。可是如果當前觀察的門電路的狀態沒有影響電腦程式的執行，則分支到另一個詢問塊16，其檢查，是否已檢查所有的、BIST的方案不檢測的門電路。如果不檢查，則分支到功能塊17，其選擇下一個門電路作為當前門電路。從功能塊15也分支到詢問塊16。
如果已檢查所有的、BIST的方案不檢測的門電路，則分支到功能塊18，其讀出故障存儲器。在詢問塊19中檢查故障存儲器是否為空。如果為空，則分支到功能塊20，其認為BIST的當前方案為完善的BIST7。在功能塊21中結束根據本發明的方法。
可是如果計算機核心的至少一個門電路的狀態影響電腦程式在微處理器30上的按規定執行(故障存儲器不為空)，BIST的方案在執行期間不檢查該門電路，則從詢問塊19分支到功能塊11，功能塊11在考慮故障存儲器內容的情況下再一次完成BIST的方案。
這種遞推方法將一直執行，直到滿足在詢問塊19中的條件(故障存儲器為空)。因此根據本發明以一個遞推方法確定對於各自的電腦程式最佳的BIST。
權利要求
1.檢查微處理器(30)或微控制器的計算機核心(36)的按規定的功能的方法，其中計算機核心(36)包含多個分別具有多個電晶體的門電路，在該方法中在電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上按規定執行期間周期地執行自檢(7)，並且在自檢(7)的範圍內檢查計算機核心(36)的門電路的按規定的功能，其特徵在於，在執行自檢(7)期間至少檢查計算機核心(36)的、其狀態影響電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上的按規定的那些執行這個門電路。
2.按照權利要求1的方法，其特徵在於，完成自檢(7)通過-完成計算機核心(36)的自檢(7)方案(11)；-檢查，計算機核心(36)的、自檢(7)的方案在執行期間沒有檢查的那些門電路(14)的狀態是否影響電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上的按規定執行；-假如計算機核心的至少一個門電路的狀態影響電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上的按規定執行，自檢(7)的方案在執行期間不檢查該門電路，則通過如此擴展自檢(7)的方案，使得附加地至少檢查計算機核心(36)的、自檢(7)的方案沒有檢查過的並且其狀態影響電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上的按規定執行的那個門電路，以完成完善的自檢；以及-假如自檢(7)的方案在執行期間不檢查的、計算機核心(36)的門電路狀態不影響電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上的按規定執行，則該自檢方案作為完善的自檢(7)考慮(20)。
3.按照權利要求2的方法，其特徵在於，在檢查計算機核心(36)的、自檢(7)的方案在執行期間不檢查的那些門電路的狀態是否影響電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上的按規定執行之前，確定自檢(7)的方案在執行期間不檢查計算機核心(36)的那些門電路。
4.按照權利要求3的方法，其特徵在於，在一個仿真器上實施這個確定(11)，即自檢(7)的方案在執行期間不檢查計算機核心(36)的那些門電路，在該仿真器上至少部分模擬計算機核心(36)的門電路結構。
5.按照權利要求2至4之一的方法，其特徵在於，在一個仿真器上實施該檢查(14)，即自檢(7)的方案在執行期間不檢查的、計算機核心(36)的那些門電路的狀態是否影響電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上的按規定執行，在該仿真器上至少部分模擬計算機核心(36)的門電路結構。
6.用於檢查微處理器(30)或微控制器的計算機核心(36)的按規定的功能的自檢，其中該計算機核心(36)包含多個分別具有多個電晶體的門電路，在電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上按規定執行期間可以以周期的運行實施自檢(7)並且檢查計算機核心(36)的門電路的按規定的功能，其特徵在於，自檢(7)在執行期間至少檢查計算機核心(7)的、狀態影響電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上的按規定執行的那些門電路。
7.具有一個計算機核心(36)並具有一個用於檢查計算機核心(37)的按規定的功能的自檢(7)的微處理器(30)或微控制器，該計算機核心具有多個分別具有多個電晶體的門電路，其中在電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上按規定執行期間可以以周期的運行實施自檢(7)並且檢查計算機核心(36)的門電路的按規定的功能，其特徵在於，自檢(7)在執行期間至少檢查計算機核心(36)的、其狀態影響電腦程式(3)在微處理器(30)或微控制器上的按規定執行那些門電路。
全文摘要
本發明涉及檢查微處理器(30)的按規定的功能的方法，其中微處理器(30)包含多個分別具有多個電晶體的門電路，在該方法中在電腦程式(3)在微處理器(30)上按規定的執行期間周期地實施自檢(7)，並且在自檢(7)的範圍內檢查微處理器(30)的門電路的按規定的功能。為了如此檢查微處理器(30)的按規定的功能，使得該功能檢查也可以及早識別，在微處理器(30)的按規定運行中才出現的這些故障，並且為了儘可能放棄使用控制或者調節算法的模型(6)，建議在自檢(7)的執行期間至少檢查微處理器(30)的、狀態影響電腦程式(3)在微處理器(30)上的按規定執行那些門電路。
文檔編號G06F15/76GK1561488SQ02819230
公開日2005年1月5日 申請日期2002年7月30日 優先權日2001年9月28日
發明者K·－P·馬特恩, M·赫林, W·哈特 申請人:羅伯特-博希股份公司