Was ist Lockstep-CPU?

Verfahren, bei dem zwei identische CPU-Kerne dasselbe Programm ausführen und ein Komparator ihre Ausgaben vergleicht, um Fehler zu erkennen. Damit Fehler gemeinsamer Ursache nicht beide Kerne gleich verfälschen, wird die Ausführung um einige Takte versetzt oder die Kerne werden räumlich getrennt angeordnet. Die Leistung entspricht der eines Kerns.

Japanische Bezeichnung: ロックステップ

„Lockstep-CPU“ kommt in 2 Übungsfragen aus 1 Themen vor, z. B. Automobilhalbleiter und Funktionale Sicherheit.

Fachgebiet: Automobilhalbleiter und Funktionale Sicherheit

Jetzt üben: Fragen zu Lockstep-CPU

Welche Beschreibung des Funktionsprinzips einer Lockstep-CPU, die als Sicherheitsmechanismus in Kfz-Mikrocontrollern eingesetzt wird, ist richtig?

AZwei CPU-Kerne teilen sich unterschiedliche Aufgaben, wodurch sich die Verarbeitungsgeschwindigkeit etwa verdoppelt
BZwei CPU-Kerne führen gleichzeitig dieselben Befehle aus, ihre Ausgänge werden in jedem Takt verglichen, und bei Abweichung wird ein Fehler gemeldet
CWird ein Fehler gefunden, wird der CPU-Betrieb vorübergehend angehalten (Lock), auf eine Reserveschaltung umgeschaltet und der fehlerhafte Teil automatisch repariert, bevor der Betrieb fortgesetzt wird

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Antwort: B. Zwei CPU-Kerne führen gleichzeitig dieselben Befehle aus, ihre Ausgänge werden in jedem Takt verglichen, und bei Abweichung wird ein Fehler gemeldet

Bei Lockstep werden zwei identisch aufgebaute CPU-Kerne bereitgestellt, die dasselbe Programm ausführen, und ihre Ausgänge werden von einer Vergleichsschaltung abgeglichen. Ändert sich das Ergebnis eines Kerns durch einen Bitkipper infolge kosmischer Strahlung oder einen Schaltungsfehler, wird dies als Abweichung erkannt, sodass für CPU-Fehler eine hohe Diagnoseabdeckung erreicht wird. Da beide Kerne dieselbe Verarbeitung ausführen, entspricht die Leistung der eines Kerns. Da der Vergleich zweier Kerne allein nicht zeigt, welcher richtig ist, folgt auf die Erkennung ein Reset oder der Übergang in einen sicheren Zustand.

Was ist der Hauptgrund, bei einer Lockstep-CPU die Ausführung der beiden Kerne um einige Takte zu versetzen oder die beiden Kerne auf dem Chip räumlich getrennt anzuordnen?

AWeil ein gleicher Fehler, der durch dieselbe Ursache wie Versorgungsrauschen oder Strahlung in beiden Kernen gleichzeitig entsteht, beim Vergleich nicht gefunden wird; gleiche Fehler sollen so unwahrscheinlicher werden
BDamit ein Kern die Rechenergebnisse des anderen vorab nutzen kann und die Verarbeitung schneller wird
CDamit beide Kerne jeweils unterschiedliche Programme ausführen können und mehr Kerne nutzbar sind

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Antwort: A. Weil ein gleicher Fehler, der durch dieselbe Ursache wie Versorgungsrauschen oder Strahlung in beiden Kernen gleichzeitig entsteht, beim Vergleich nicht gefunden wird; gleiche Fehler sollen so unwahrscheinlicher werden

Lockstep erkennt Fehler anhand von Unterschieden zwischen den Ergebnissen der beiden Kerne; tritt durch dieselbe Ursache in beiden derselbe Fehler auf, ist er nicht erkennbar. Solche Ausfälle heißen Ausfälle gemeinsamer Ursache (Common Cause Failures). Kurzzeitige Einbrüche der Versorgungsspannung oder Taktstörungen wirken gleichzeitig auf beide Kerne; wird die Ausführung eines Kerns z. B. um 2 Takte verzögert und beim Vergleich wieder ausgeglichen, entsteht derselbe Fehler seltener zum selben Zeitpunkt. Auch die räumliche Trennung der Kerne soll verhindern, dass lokale Ursachen beide betreffen.

Was ist Lockstep-CPU?

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Welche Beschreibung des Funktionsprinzips einer Lockstep-CPU, die als Sicherheitsmechanismus in Kfz-Mikrocontrollern eingesetzt wird, ist richtig?

Was ist der Hauptgrund, bei einer Lockstep-CPU die Ausführung der beiden Kerne um einige Takte zu versetzen oder die beiden Kerne auf dem Chip räumlich getrennt anzuordnen?

Fragen mit „Lockstep-CPU“ (2)

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