Soluções híbridas de hardware/software para a detecção de erros em systems-on-chip (SoC) de tempo real

Nos últimos anos, o crescente aumento do número de aplicações críticas envolvendo sistemas de tempo real aliado ao aumento da densidade dos circuitos integrados e a redução progressiva da tensão de alimentação, tornou os sistemas embarcados cada vez mais susceptíveis à ocorrência de falhas transientes. Técnicas que exploram o aumento da robustez de sistemas em componentes integrados (SoC) através do aumento do ciclo de trabalho do sinal de relógio gerado por um bloco PLL para acomodar eventuais atrasos indesejados da lógica [1] são possíveis soluções para aumentar a confiabilidade de sistemas eletrônicos. Diz-se que estes sistemas utilizam técnicas de “error avoidance”. Outras técnicas cujo objetivo não é o de evitar falhas, mas sim o de detectá-las, são ditas técnicas de “error detection”. Este trabalho aborda esse segundo tipo de técnica para aumentar a confiabilidade de sistemas eletrônicos; ou seja, aborda o desenvolvimento de técnicas que realizam a detecção de erros em tempo de execução do sistema. Sistemas de tempo real não dependem somente do resultado lógico de computação, mas também no tempo em que os resultados são produzidos. Neste cenário, diversas tarefas são executadas e o escalonamento destas em função de restrições temporais é um tema de grande importância. Durante o funcionamento destes sistemas em ambientes expostos à interferência eletromagnética (EMI), existe a enorme probabilidade de ocorrerem falhas transientes. Assim, a utilização de técnicas capazes de detectar erros evita que dados errôneos se propaguem pelo sistema até atingir as saídas e portanto, produzindo um defeito e/ou comprometendo a característica temporal do sistema. Basicamente, as técnicas de detecção são classificadas em duas categorias: soluções baseadas em software e soluções baseadas em hardware.Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho é especificar e implementar uma solução baseada em software (descrito em linguagem C e inserida no núcleo do Sistema Operacional de Tempo Real - RTOS) ou baseada em hardware (descrito em linguagem VHDL e conectada no barramento do processador) capaz de detectar em tempo de execução eventuais erros devido a falhas ocorridas no sistema. As falhas consideradas neste trabalho são aquelas que afetam a execução correta do fluxo de controle do programa. A solução proposta é inovadora no sentido de se ter como alvo sistemas SoC com RTOS multitarefa em ambiente preemptivo. A solução proposta associa a estes sistemas, técnicas híbridas de detecção de erros: baseadas em software (YACCA [2,3]) e em hardware (WDT [4,5], OSLC [6,7] e SEIS [8,9,10]). Diferentes versões do sistema proposto foram implementadas. Em seguida, foram validadas em um ambiente de interferência eletromagnética (EMI) segundo a norma IEC 62132-2 [11] que define regras para os testes de circuitos integrados expostos à EMI irradiada. A análise dos resultados obtidos demonstra que a metodologia proposta é bastante eficiente, pois apresenta uma alta cobertura de falhas e supera os principais problemas presentes nas soluções propostas na literatura. Ou seja, associa uma menor degradação de desempenho com um menor consumo de memória e uma maior cobertura de falhas.The always increasing number of critical applications requiring real time systems associated with integrated circuits, high density and the progressive system power supply reduction, has made embedded systems more sensitive to the occurrence of transient faults. Techniques that explore the robustness increase in integrated circuits (SoC) by means of increasing the clock duty-cycle generated by the PLL block, in order to accommodate eventual undesired delays through the logic [1] are possible solutions to increase electronic systems reliability. It is said that such systems use “error avoidance” techniques. Other techniques whose goal is not to avoid fault occurrence, but instead, to detect them, are said “error detection” techniques. This work is focused on the second type of techniques in order to increase electronic systems reliability. In other words, this work proposes the development new techniques to perform fault detection at system runtime. Real-time systems depend not only on the logical computation result, but also on the time at which these results are produced. In this scenario, many tasks are executed and the efficient time scheduling is a great concern. During system execution in electromagnetic interference (EMI) exposed environments, there is the large probability of transient faults occurrence. Thus, the use of fault detection techniques prevents faults from propagating through the system till primary outputs and them producing systems defect (and/or compromising the time characteristic of the system). Basically, these detection techniques are classified in two main categories: solutions based on software and solutions based on hardware.In this context, the goal of this work is to specify and to implement a solution based on software techniques (described in C language and inserted in the RTOS kernel) and/or hardware (described in VHDL language and connected on the processor bus) that is capable of performing real time detection of eventual errors in Systems-on-Chips. The faults considered in this work are these that affect the correct processor control flow. The proposed solution is innovative int the sense of having as target systems, those operating is a preemptive multitasking RTOS environment. Therefore, the proposed techniques perform fault detection based on a hybrid solution that combines software (YACCA [2,3]) with hardware (WDT [4,5], OSLC [6,7] and SEIS [8,9,10]). Several system versions have been proposed and implemented. Then, they were validated in on electromagnetic environment according to the standard IEC 62132-2 [11], witch defines rules for testing integrated circuits under radiated EMI. The obtained results demonstrate that the proposed methodology is very efficient, since it yields a high fault detection coverage higher than those proposed by other methodology on the literature. In other works, the proposed work associates the smallest system performance degradation with the smallest memory overhead and the highest fault detection coverage