Wat is Lockstep-CPU?

Schema waarin twee identieke CPU-kernen hetzelfde programma uitvoeren en een comparator hun uitgangen controleert om fouten te detecteren. Om te voorkomen dat fouten met een gemeenschappelijke oorzaak beide kernen op dezelfde manier verstoren, wordt de uitvoering enkele klokken verschoven of worden de kernen uit elkaar geplaatst. De prestaties zijn die van één kern.

Japanse benaming: ロックステップ

“Lockstep-CPU” komt voor in 2 oefenvragen uit 1 onderwerpen, bijv. Halfgeleiders voor auto's en functionele veiligheid.

Vakgebied: Halfgeleiders voor auto's en functionele veiligheid

Nu oefenen: vragen over Lockstep-CPU

Welke beschrijving van het werkingsprincipe van een lockstep-CPU, die als veiligheidsmechanisme in microcontrollers voor auto's wordt gebruikt, is juist?

  1. ATwee CPU-cores verdelen verschillende taken onder elkaar, waardoor de verwerkingssnelheid ongeveer verdubbelt
  2. BTwee CPU-cores voeren tegelijk dezelfde instructies uit, de uitgangen worden elke klokcyclus vergeleken en bij een verschil wordt een fout gemeld
  3. CWordt een fout gevonden, dan wordt de werking van de CPU tijdelijk stilgezet (lock), wordt overgeschakeld op een reservecircuit en wordt het defecte deel automatisch gerepareerd voordat de werking wordt hervat
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Twee CPU-cores voeren tegelijk dezelfde instructies uit, de uitgangen worden elke klokcyclus vergeleken en bij een verschil wordt een fout gemeld

Lockstep is een methode waarbij twee identiek opgebouwde CPU-cores hetzelfde programma uitvoeren en een comparator hun uitgangen met elkaar vergelijkt. Verandert door een bitomslag door kosmische straling of een defect in de schakeling het resultaat van één core, dan kan dit als een verschil worden gedetecteerd, zodat een hoge diagnostische dekking voor CPU-fouten wordt verkregen. Omdat de twee cores dezelfde verwerking doen, is de prestatie die van één core. Met alleen een vergelijking van twee cores is niet te bepalen welke juist is, dus na detectie wordt een reset of een overgang naar een veilige toestand uitgevoerd.

Wat is de belangrijkste reden om bij een lockstep-CPU de uitvoering van de twee cores enkele klokcycli te verschuiven of de twee cores op de chip op afstand van elkaar te plaatsen?

  1. AAls door dezelfde oorzaak, zoals voedingsruis of straling, in beide cores tegelijk dezelfde fout optreedt, wordt die bij de vergelijking niet gevonden; zo wordt de kans op dezelfde fout verkleind
  2. BZodat de ene core het rekenresultaat van de andere core vooruitlopend kan gebruiken en de verwerking sneller wordt
  3. CZodat de twee cores elk een ander programma kunnen uitvoeren en het aantal bruikbare cores toeneemt
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Als door dezelfde oorzaak, zoals voedingsruis of straling, in beide cores tegelijk dezelfde fout optreedt, wordt die bij de vergelijking niet gevonden; zo wordt de kans op dezelfde fout verkleind

Lockstep vindt fouten aan de hand van verschillen tussen de resultaten van de twee cores, dus als door dezelfde oorzaak in beide dezelfde fout optreedt, kan die niet worden gedetecteerd. Zulke fouten heten common-cause-fouten (fouten met een gemeenschappelijke oorzaak). Een kortstondige daling van de voedingsspanning of een verstoring van de klok beïnvloedt beide cores tegelijk; door de uitvoering van één core bijvoorbeeld 2 klokcycli te vertragen en bij de vergelijking weer gelijk te zetten, wordt het minder waarschijnlijk dat op hetzelfde moment dezelfde fout ontstaat. De cores op afstand van elkaar plaatsen dient ook om te voorkomen dat een lokale oorzaak beide treft.

Vragen met “Lockstep-CPU” (2)

  1. Welke beschrijving van het werkingsprincipe van een lockstep-CPU, die als veiligheidsmechanisme in microcontrollers voor auto's wordt gebruikt, is juist?
  2. Wat is de belangrijkste reden om bij een lockstep-CPU de uitvoering van de twee cores enkele klokcycli te verschuiven of de twee cores op de chip op afstand van elkaar te plaatsen?

Verwante termen

Veiligheidsmechanisme Comparator Diagnostische dekking Numerieke apertuur (NA) AEC-Q100 ASIL (Automotive Safety Integrity Level) CAN-bus ECU (elektronische regeleenheid) FTTI (fault tolerant time interval) HARA (gevarenanalyse en risicobeoordeling)

Naar de woordenlijst