1、 1 毕 业 设 计 （ 论 文 ）毕 业 设 计 （ 论 文 ） 开 题 报 告开 题 报 告 选题名称选题名称 基于基于 JTAG 的嵌入式故障注入平台的嵌入式故障注入平台 2014 年年 3 月月 20 日日 2 一一 毕业设计（论文）内容毕业设计（论文）内容 1. 研究背景研究背景 随着嵌入式系统在航空、航天、工业控制等关键领域中的推广应用，对嵌入式系统的 安全性和可靠性要求越来越高。在这些领域中，嵌入式设备一般工作在温度，湿度，酸度， 辐射都很极端的情况下， 系统出现故障的概率比在正常环境下工作的嵌入式系统高出很多 倍。应用于这些关键领域的嵌入式系统一旦出现故障，就会导致巨大损失。所
2、以嵌入式设 备在投入使用前，需要有一种方法能够对嵌入式系统的可靠性进行评测。 对于可靠性的评测一种很显然的方法是运行待评测嵌入式系统足够长的时间， 通过直 接统计并分析系统运行过程中出现故障和失效的信息来得到真实的错误和故障特性。 但是 对于一个高可靠的系统来说，这种方法在实际评测中难以实施，而通过人为故障注入的方 法，进而分析目标系统的行为成为一种常用的可靠性评测方法。 故障注入技术是一种通过人为注入故障的方法来测评容错机制、验证系统应对异常能 力，从而提高系统可靠性的有效办法。 故障注入技术诞生于 70 年代初期，在最初的一段时间里主要用在工业界，对工业界 的容错计算机系统的设计进行验证。
3、直至 80 代中期，故障注入技术才被高校和研究部门 所重视，开始用来对计算机系统中容错机制的验证。进入 90 代之后，故障注入技术越来 越引起众多研究人员和工程设计者的重视，对故障注入的研究与应用也随之深入和广泛。 故障注入按照注入层次不同可分为软件故障注入、软件模拟硬件故障注入、硬件故障 注入等类别。 传统的软件故障注入和软件模拟硬件故障注入由于受到操作系统保护机制的 限制，部分在实际中可能出现的底层故障无法被注入到待评测系统中，无法覆盖所有可能 产生的故障。所以本课题使用硬件故障注入技术。 硬件故障注入技术有着能够访问到其他 方法访问不到的位置、可以实时性测试、可以同时测试硬件和软件错误等
4、优点。 本课题设计并实现一种基于 JTAG 的嵌入式系统故障注入和分析平台， 可以在目标系 统运行的情况下，通过使目标系统进入硬件调试模式，然后进行故障注入。在硬件调试模 式下，目标计算机的操作系统暂停运行，而返回正常工作模式后，操作系统会继续刚才的 指令断点运行，由于操作系统忽略了硬件调试模式下对系统内容的修改，通过这种方法可 以突破操作系统的保护进行故障注入。 2. 任务书内容任务书内容 随着嵌入式系统在航空、航天、工业控制等关键领域中的推广应用，对嵌入式系统的 安全性和可靠性要求越来越高。应用于这些关键领域的嵌入式系统一旦出现故障，就会导 致巨大损失。故障注入技术是一种通过人为注入故障的
5、方法来测评容错机制、验证系统应 对异常能力，从而提高系统可靠性的有效办法。 故障注入按照注入层次不同可分为软件故障注入、软件模拟硬件故障注入、硬件故障 注入等类别。 传统的软件故障注入和软件模拟硬件故障注入由于受到操作系统保护机制的 限制，部分在实际中可能出现的底层故障无法被注入到待评测系统中。针对这种局限，本 3 课题设计并实现一种基于 JTAG 的嵌入式系统故障注入和分析平台。 3. 任务要求任务要求 (1) 学习基于 JTAG 接口的硬件调试技术。 (2) 研究面向嵌入式软硬件的嵌入式故障模型。 (3) 研究并设计基于 JTAG 的嵌入式系统故障注入和分析平台。 4. 个人理解个人理解
6、JTAG 调试方法是利用边界扫描寄存器单元对芯片的输入输出管脚进行存取，本课题 需要研究 JTAG 协议的规范，研究如何使用 JTAG 协议使硬件系统从正常工作状态进入硬 件调试状态并且读写硬件系统的值，完成调试。JTAG 协议使用的边界扫描寄存器在硬件 设计的时候就固化在了硬件电路内部，还需要使用一种通信协议实现上位机和硬件平台 JTAG 协议之间的通信，本课题使用 USB2.0 协议来完成该任务。在上位机使用的 USB2.0 通信协议和硬件系统使用的 JTAG 调试协议之间还需要构建一个协议转换器完成协议的 转换，数据的组织和数据的收发控制。 4 二二 研究研究方案方案 1. JTAG 硬件硬件调试协议调试协议 JTAG （JOINT TEST ACTION GROUP） 调试的核心思想是将测试点和测试部件集 成到芯片内部，通过一组标准信号接口（TAP）输入测试数据并输出测试结果。 JTAG 调试利用边界扫描技术，在靠近芯片的输入输出管脚上增加一个移位寄存器单 元，称为边界扫描寄存器单元（BSC），当芯片处于正常运行的状态，边界扫描寄存器不 参与数据的输入输出，不影响 CPU
