Methodology of highly reliable systems design

Práce představuje alternativní metodiku k již existujícím technikám pro návrh číslicových systémů se zvýšenou spolehlivostí implementovaných do obvodů FPGA a doplňuje některé nové vlastnosti při realizaci a testování těchto systémů. Práce se opírá o využití částečné dynamické rekonfigurace obvodu FPGA při návrhu systémů odolných proti poruchám, kde může být částečná rekonfigurace využita jako mechanizmus pro opravu a zotavení systému po výskytu poruchy. Práce nejprve představuje obecné principy diagnostiky, testování a spolehlivosti číslicových systémů včetně stručného popisu programovatelných obvodů FPGA a jejich architektury. Dále pokračuje přehledem současných metod a technik při návrhu a implementaci systémů odolných proti poruchám do obvodů FPGA, kde jsou popsány zejména techniky z oblasti detekce a lokalizace poruch, opravy a posuzování kvality návrhu. Nejdůležitější částí práce je popis metodiky pro návrh, implementaci a testování systémů odolných proti poruchám, která byla vytvořena pro obvody FPGA, jejichž konfigurační paměť je založena na pamětech typu SRAM. Nejprve je prezentována technika pro vytváření a automatizované generování hlídacích obvodů pro číslicové systémy a komunikační protokoly v FPGA, následně je prezentovaná referenční architektura spolehlivého systému implementovaného do FPGA včetně několika odolných architektur využívajících principu částečné dynamické rekonfigurace jako mechanizmu opravy a zotavení po výskytu poruchy. Dále je popsán způsob řízení rekonfiguračního procesu a testovací platforma pro snadné testovaní a ověření kvality systémů odolných proti poruchám implementovaných dle navržené metodiky. V závěru jsou diskutovány experimentální výsledky a přínos práce.In the thesis, a methodology alternative to existing methods of digital systems design with increased dependability implemented into FPGA is presented, new features which can be used in the implementation and testing of these systems are demonstrated. The research is based on the use of FPGA partial dynamic reconfiguration for the design of fault tolerant systems. In these applications, the partial dynamic reconfiguration can be used as a mechanism to correct the fault and recover the system after the fault occurrence. First, the general principles of diagnostics, testing and digital systems dependability are presented including a brief description of FPGA components and their architectures. Next, a survey of currently used methods and techniques used for the design and implementation of fault tolerant systems into FPGA is described, especially the methods used for fault detection and localization, their correction, together with the principles of evaluating fault tolerant systems design quality.  The most important part of the thesis is seen in the description of the design methodology, implementation and testing of fault tolerant systems implemented into FPGAs which uses SRAMs as the configuration memory. First, the methodology of developing and automated checker components design for digital systems and communication protocols is presented. Then, a reference architecture of a dependable system implemented into FPGA is demonstrated including several fault tolerant architectures based on the use of partial dynamic reconfiguration as the mechanism of fault correction and the recovery from it. The principles of controlling the reconfiguration process are described together with the description of the test platform which allows to test and verify the design of fault tolerant systems based on the methodology presented in the thesis. The experimental results and the contribution of the thesis are discussed in the conclusions.

Safety and Reliability - Safe Societies in a Changing World

The contributions cover a wide range of methodologies and application areas for safety and reliability that contribute to safe societies in a changing world. These methodologies and applications include: - foundations of risk and reliability assessment and management - mathematical methods in reliability and safety - risk assessment - risk management - system reliability - uncertainty analysis - digitalization and big data - prognostics and system health management - occupational safety - accident and incident modeling - maintenance modeling and applications - simulation for safety and reliability analysis - dynamic risk and barrier management - organizational factors and safety culture - human factors and human reliability - resilience engineering - structural reliability - natural hazards - security - economic analysis in risk managemen