高性能低功耗的容错编译技术:错误流压缩算法

在许多关键应用中,计算机的高性能、低功耗和高可靠性是必须同时满足的要求.传统的软件容错技术频繁使用和比较分支指令检测错误,带来了巨大的性能和功耗的开销.提出了基于计算数据流模型的错误流模型,并设计了错误流压缩算法.在错误流压缩算法中,利用附加计算压缩了错误流的直径,显著减少了分支指令的数量,而总指令数不变.针对StreamIT提供的快速傅立叶变换测试程序,采用Wattch对错误流压缩算法进行模拟测试.实验结果表明,当循环参数n=2²⁵时,与传统的EDDI算法相比,使用错误流压缩算法可减少分支指令24%以上,IPC提高超过12%,同时,功耗减少了将近5%.给出的推算表明:在该实验中,如果内层循环体的存储指令数量为8,分支指令的减少可以达到43%以上.     

面向二进制代码的软错误故障注入器设计与实现

由于芯片集成度的提高,软错误在现代计算机系统中变得越来越普遍.这些故障对高性能微处理器中的存储器和硬件设备的可靠性造成了重大挑战.设计一种基于PIN的工具来模拟软错误,可以在机器代码级实现硬件故障注入.故障注入器基于二进制插装,支持准确和低成本的故障注入.在典型的应用程序中进行了示范应用,通过模拟位翻转来分析程序对软错误的响应情况,根据实验结果分析了软错误对程序性能和精度的影响.研究表明,该程序对软错误反应明显,该注入器为未来的故障注入研究提供了一种有效的方法和手段.     

面向软件错误检测的数据流分析

程序中某一点的数据流状态与软件的执行路径有关。程序中的部分错误与变量所处的状态相关。提出的MUST数据流和MAY数据流反映了数据流的执行路径具有相关性的特点。根据不同变量的管理特点,从程序的控制结构出发,详细讨论了影响变量状态的各种因素及其之间的关系,提出了基于程序控制结构的、以基本块为最小程序单位的静态数据流分析方法,为精确地进行数据流分析提供了依据。     

面向软错误的寄存器活跃区间分析

继性能和功耗问题之后,软错误导致的计算可信性已成为一个日益严峻的课题.由于寄存器访问频繁却未能被良好保护,发生在其中的软错误成为影响系统可靠性的关键因素之一.基于程序汇编代码,提出一种针对寄存器软错误的程序可靠性静态分析方法.首先通过数据流分析技术提取出可能影响程序执行的寄存器活跃区间,然后基于构成活跃区间的基本块集合计算其有效体系结构易感位数,在此基础上可定量计算寄存器软错误影响下的程序可靠性.基于MiBench基准程序的实验表明,该方法的分析结果与AVF分析法保持一致,同时还指出了寄存器相关活跃区间的关键程度,这为实现针对寄存器软错误的高效容错方法提供了依据.     

基于扩展数据流策略的面向对象程序测试

鉴于面向对象程序在结构、行为特征等方面不同于结构化程序的特点,在面向对象软件测试中需要采用相适应的技术。文章提出了一种通用的代码级错误分类,并由此研究了一种扩展的数据流策略—计算效果传播特征,定义了其表示方法,分析其对于错误检测的作用,以提高发现错误的针对性。最后提出了面向对象程序扩展数据流覆盖的策略和标准。     

寄存器软错误对程序可靠性影响的静态分析

继性能和功耗问题之后,软错误导致的计算可信性已成为一个日益严峻的课题。其中,由于寄存器访问频繁却未能被良好保护,发生在其中的软错误成为影响程序可靠性的关键因素之一。基于程序汇编代码,提出一种针对寄存器软错误的程序可靠性静态分析方法。首先通过数据流分析技术提取所有可能影响程序执行的寄存器活跃区间,然后基于活跃区间的路径表达式分析其执行时间和出现频率,最后在此基础上计算在寄存器软错误影响下的程序可靠性。实验表明,该方法的分析结果与AVF分析法保持一致,同时其结果还指出相关的寄存器活跃区间的执行时间和出现频率,这为实现针对寄存器软错误的高效容错方法提供了依据。     

基于图神经网络的程序脆弱性指数评估方法

软错误会导致隐性偏差,严重影响计算机系统的可靠性。计算程序脆弱性指数是防护隐性偏差的先决条件。针对传统方法中程序语义提取不足,无法全面反映错误传播机理的问题,提出了一种基于图注意力网络的程序脆弱性指数评估方法EpicGNN。将脆弱性指数预测的任务转换为图神经网络的图回归任务,应用不同类型的边来表示不同的指令关系;引入结构化多头自注意力机制量化节点间、节点到图在错误传播中的重要程度;依据该重要性聚合节点信息、图信息形成图的表示向量,并利用回归模型预测脆弱性指数。实验结果表明,EpicGNN在spec2000、spec2006、rodinia等数据集上的平均绝对误差相比现有模型减少了0.037～0.258,对未见过的图仍然有良好的泛化性能。     

基于马尔可夫模型的软件错误定位方法

软件调试是软件开发的重要环节.统计错误定位技术通过分析程序执行频谱来估计程序中错误所在的位置.针对不同类型的程序频谱,此类技术建立不同的启发式模型描述程序行为.已有研究表明,其准确度同目标错误和程序类型相关,且不存在某种普遍有效的技术.文中从单元测试的特性出发,探讨预测错误类型的可行性,并采用马尔可夫过程对错误类型进行预测,从错误定位技术备选集中选择适合的技术来实施.实验表明文中方法能够更快地定位程序错误.     

基于软错误的动态程序可靠性分析和评估

基于软件实现的软错误容错方法不需要硬件开销,被认为是一种高效的软错误容错方法,而动态的实现这种方法能覆盖更多种类型的程序,因而能覆盖更多的软错误,分析硬件软错误对程序执行时代码和数据的逻辑影响,并建立了硬件软错误条件下程序运行可靠性评估模型.本文的工作为基于软件动态软错误容错算法的提出提供了理论基础,也为程序可靠性的评估提供了一种方法.我们依据体系结构层硬件对指令执行的影响将硬件构件进行分类,并分析了不同的硬件构件对程序代码和数据的逻辑影响.基于软错误对程序代码和数据的影响模型,建立了软错误条件下程序运行可靠性评估模型.最后,在实验中,对软错误条件下程序影响模型和程序运行可靠性评估模型进行了验证,实验结果证明了本文的分析和评估结果.     

一种引入复杂网络理论的软件数据流脆弱点识别方法

研究了卫星LTE上行同步系统在单粒子效应影响下软件数据流错误的脆弱点识别问题,并针对现有错误传播分析方法对大容量数据处理软件脆弱点识别存在较大偏差的问题,结合星载LTE上行同步处理大容量数据处理需求,引入复杂网络理论,提出一种基于网络节点度的软件数据流脆弱点识别方法.该方法以错误传播分析方法为基础,通过定义单粒子翻转错误渗透率,采用矩阵化描述方法构建了错误传播网络模型,将软件数据流脆弱点挖掘问题转换为网络关键节点挖掘问题,以一定的虚警概率搜索所有的局部极值,从而实现该虚警概率下全部的数据流脆弱点挖掘.仿真结果表明,该方法可有效识别星载LTE上行同步处理大容量数据处理中的脆弱点.     

An empirical, path-oriented approach to software analysis and testing

Error flow analysis and testing techniques focus on the introduction of errors through code faults into data states of an executing program, and their subsequent cancellation or propagation to output. The goals and limitations of several error flow techniques are discussed, including mutation analysis, fault-based testing, PIE analysis, and dynamic impact analysis. The attributes desired of a good error flow technique are proposed, and a model called dynamic error flow analysis (DEFA) is described that embodies many of these attributes. A testing strategy is proposed that uses DEFA information to select an optimal set of test paths and to quantify the results of successful testing. An experiment is presented that illustrates this testing strategy. In this experiment, the proposed testing strategy outperforms mutation testing in catching arbitrary data state errors.     

面向崩溃预测的寄存器软错误故障传播分析

故障注入是研究软错误故障传播的传统手段,但随着程序复杂性不断增加,采用故障注入对大量软错误的故障传播进行研究将花费巨大的时间成本。提出一种基于程序动态指令进行分析和建模从而快速获取软错误结果的方法。将程序转化为动态指令序列,通过体系结构正确执行分析将所有可能的软错误划分为对程序运行结果有影响和没有影响两部分;基于动态依赖图建立软错误故障传播分析模型,并建立判断程序崩溃的标准,进而提出一个算法对任意制定的能够影响程序运行结果的软错误进行故障传播分析并重点预测程序崩溃的发生。实验显示,预测的漏报率和分析单个软错误的平均用时明显低于现有方法。     

与继承相关的C＋＋程序错误模式

分析了C 程序中与继承相关的错误模式，这些错误会引起程序的数据流异常和行为异常。给出了几种常见错误模式的表现形式，结合实例详细分析了这些错误模式的产生原因及特点，重点讨论了容易产生数据流异常的基类与派生类之间的状态一致性问题，得到错误模式的分类。最终达到使用错误模式指导程序分析，检测面向对象程序中的潜在异常，维护系统的安全的目的。     

与继承相关的C＋＋程序错误模式

文中分析了C 程序中与继承相关的错误模式，这些错误会引起程序的数据流异常和行为异常。给出了几种常见错误模式的表现形式，结合实例详细分析了这些错误模式的产生原因及特点，重点讨论了容易产生数据流异常的基类与派生类之间的状态一致性问题，得到错误模式的分类。最终达到使用错误模式指导程序分析，检测面向对象程序中的潜在异常，维护系统的安全的目的。     

软硬件综合AADL可靠性建模及分析方法

目前嵌入式系统广泛应用于航空电子、远程医疗、汽车电子等具有高可靠性要求的系统中。随着嵌入式系统的复杂度越来越高,为了保障系统的高可靠性需求,需要在系统开发的早期设计阶段对系统的可靠性进行分析评估,以提高系统的开发效率。嵌入式系统中软件、硬件功能的失效都会对系统可靠性产生影响,而AADL的可靠性模型缺乏对硬件构件错误的影响及传播机制进行刻画分析的能力。本文综合考虑软、硬件错误发生失效后对系统可靠性的影响,提出了一种面向系统架构级别的软硬件综合可靠性分析方法。该方法基于电子电路设计中事务级建模方法,扩展了AADL事务级错误模型的语法和语义,来支持AADL对硬件构件错误传播的硬件功能行为建模,在此基础上,利用AADL模型实例化机制实现对嵌入式系统可靠性建模,刻画了错误行为在硬件构件之间、软硬件构件之间的传播与影响。同时,定义了AADL硬件构件事务级错误模型到广义随机Petri网模型的映射规则,实现了系统软、硬件综合的可靠性行为仿真计算模型组合,支持嵌入式系统的软硬件综合可靠性分析。论文开发了软硬件综合可靠性建模与分析工具原型,并以某型飞机空气增压系统为例,在航空电子系统架构设计中进行尝试,验证了该方法在复杂嵌入式系统设计中进行软硬件综合可靠性分析的可行性与优越性。     

基于最大熵模型的介词纠错系统

英语介词纠错系统,针对英语学习者英语语言中常见的介词错误进行计算机自动纠正.首先,对标注过得语料库中介词错误进行了分类统计,总结出21种常见介词,在英语wiki语料库中利用计算机自动错误插值算法获得训练集合.然后在训练集合基础之上,通过使用基于最大熵模型的分类器,选择了包括上下文、介词补足语等特征,在训练集上进行模型的训练,最后使用模型对于输入句子进行预测并纠正存在的使用错误.在NUCLE语料的实验中,给出了语料处理、模型特点、训练语料的大小、迭代次数对于测试集效果的影响,并且比较了朴素贝叶斯模型的结果,最后在测试数据达到27.68的F值,相对于CoNLL2013的shared task中最好结果有小幅提升.     

用于程序循环控制的错误检测算法

为确保安全苛求系统中程序执行的正确性,针对程序循环控制中内存未更新、循环提前结束和循环滞后结束的问题,提出一种基于含签名和时间戳的算术(ANBD)码的循环控制错误检测算法。该算法通过ANBD码,将程序变量编码为含签名的码字。通过校验码字签名,检测循环控制错误。运用ANBD码中的时间标签,可检测内存未更新错误。另外,在ANBD码基础上,通过采用在线语句块签名分配算法、语句块签名函数和变量签名补偿函数,检测循环提前结束错误和循环滞后结束错误。该算法理论错误漏检概率为1/A,其中A为编码素数,选取97~10993的素数进行错误漏检概率测试,得到理论模型与测试结果的归一化均方误差(NMSE)约为-30 dB。测试结果表明,该算法可检测循环控制中出现的各类错误,且编码素数A接近2³²时,错误漏检概率可达10^-9,能够满足安全苛求系统的应用要求。     

虚拟测试系统的测试误差分析

在测试系统中,测试误差影响测试数据的精度.消弱其对测试结果的影响是至关重要的.首先讨论了随机误差的分布、测度,然后建立两种数据模型:基于LabVIEW平台的参数测试系统观测数据模型和理想数据模型.以此模型为基础,分析数据中的系统误差和研究系统误差的检验方法.提出了基于后验检验统计的系统误差检测法.最后修改观测数据的模型.结合此模型研究系统误差和随机误差的评定指标.