Simulating the effects of logic faults in implementation-level VITAL-compliant models

[EN] Simulation-based fault injection is a well-known technique to assess the dependability of hardware designs specified using hardware description languages (HDL). Although logic faults are usually introduced in models defined at the register transfer level (RTL), most accurate results can be obtained by considering implementation-level ones, which reflect the actual structure and timing of the circuit. These models consist of a list of interconnected technology-specific components (macrocells), provided by vendors and annotated with post-place-and-route delays. Macrocells described in the very high speed integrated circuit HDL (VHDL) should also comply with the VHDL initiative towards application specific integrated circuit libraries (VITAL) standard to be interoperable across standard simulators. However, the rigid architecture imposed by VITAL makes that fault injection procedures applied at RTL cannot be used straightforwardly. This work identifies a set of generic operations on VITAL-compliant macrocells that are later used to define how to accurately simulate the effects of common logic fault models. The generality of this proposal is supported by the definition of a platform-specific fault procedure based on these operations. Three embedded processors, implemented using the Xilinx¿s toolchain and SIMPRIM library of macrocells, are considered as a case study, which exposes the gap existing between the robustness assessment at both RTL and implementation-level.This work has been partially funded by the Ministerio de Economia, Industria y Competitividad of Spain under grant agreement no TIN2016-81075-R, and the "Programa de Ayudas de Investigacion y Desarrollo" (PAID) of Universitat Politecnica de Valencia.Tuzov, I.; De-Andrés-Martínez, D.; Ruiz, JC. (2019). Simulating the effects of logic faults in implementation-level VITAL-compliant models. Computing. 101(2):77-96. https://doi.org/10.1007/s00607-018-0651-4S77961012Baraza JC, Gracia J, Blanc S, Gil D, Gil P (2008) Enhancement of fault injection techniques based on the modification of vhdl code. IEEE Tran Very Large Scale Integr Syst 16:693–706Baraza JC, Gracia J, Gil D, Gil P (2002) A prototype of a vhdl-based fault injection tool: description and application. Journal of Systems Architecture 47(10):847–867Benites LAC, Kastensmidt FL (2017) Fault injection methodology for single event effects on clock-gated asics. In: IEEE Latin American test symposium. IEEE, pp 1–4Benso A, Prinetto P (2003) Fault injection techniques and tools for VLSI reliability evaluation. Frontiers in electronic testing. Kluwer Academic Publishers, BerlinCobham Gaisler AB: LEON3 processor product sheet (2016). https://www.gaisler.com/doc/leon3_product_sheet.pdfCohen B (2012) VHDL coding styles and methodologies. Springer, New YorkDas SR, Mukherjee S, Petriu EM, Assaf MH, Sahinoglu M, Jone WB (2006) An improved fault simulation approach based on verilog with application to ISCAS benchmark circuits. In: IEEE instrumentation and measurement technology conference, pp 1902–1907Fernandez V, Sanchez P, Garcia M, Villar E (1994) Fault modeling and injection in VITAL descriptions. In: Third annual Atlantic test workshop, pp o1–o4Gil D, Gracia J, Baraza JC, Gil P (2003) Study, comparison and application of different vhdl-based fault injection techniques for the experimental validation of a fault-tolerant system. J Syst Archit 34(1):41–51Gil P, Arlat J, Madeira H, Crouzet Y, Jarboui T, Kanoun K, Marteau T, Duraes J, Vieira M, Gil D, Baraza JC, Gracia J (2002) Fault representativeness. Technical report, dependability benchmarking projectGuthaus MR, Ringenberg JS, Ernst D, Austin TM, Mudge T, Brown RB (2001) MiBench: a free, commercially representative embedded benchmark suite. In: IEEE 4th annual workshop on workload characterization, pp 3–14IEEE Standard for VITAL ASIC (Application Specific Integrated Circuit) (2000) Modeling specification. Institute of Electrical and Electronic Engineers, StandardIEEE Standard VHDL Language Reference Manual (2008) Institute of Electrical and Electronic Engineers, StandardIEEE Standard for Standard Delay Format (SDF) for the Electronic Design Process. Institute of Electrical and Electronic Engineers, Standard (2001)Jenn E, Arlat J, Rimen M, Ohlsson J, Karlsson J (1994) Fault injection into VHDL models: the MEFISTO tool. In: International symposium on fault-tolerant computing, pp 66–75Kochte MA, Schaal M, Wunderlich HJ, Zoellin CG (2010) Efficient fault simulation on many-core processors. In: Design automation conference, pp 380–385Mansour W, Velazco R (2013) An automated seu fault-injection method and tool for HDL-based designs. IEEE Trans Nucl Sci 60(4):2728–2733Mentor Graphics (2016) Questa SIM command reference manual 10.7b, Document Revision 3.5. https://www.mentor.com/products/fv/modelsim/Munden R (2000) Inverter, STDN library. Free model foundry VHDL model list. https://freemodelfoundry.com/fmf_models/stnd/std04.vhdMunden R (2004) ASIC and FPGA verification: a guide to component modeling. Systems on silicon. Elsevier, AmsterdamNa J, Lee D (2011) Simulated fault injection using simulator modification technique. ETRI J 33(1):50–59Nimara S, Amaricai A, Popa M (2015) Sub-threshold cmos circuits reliability assessment using simulated fault injection based on simulator commands. In: IEEE International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics, pp 101–104Oregano Systems GmbH (2013) MC8051 IP Core, user guide (V 1.2) 2013. http://www.oreganosystems.at/download/mc8051_ug.pdfRomani E (1998) Structural PIC165X microcontroller. Hamburg VHDL archive. https://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/vhdlShaw D, Al-Khalili D, Rozon C (2006) Automatic generation of defect injectable VHDL fault models for ASIC standard cell libraries. Integr VLSI J 39(4):382–406Shaw DB, Al-Khalili D (2003) IC bridge fault modeling for IP blocks using neural network-based VHDL saboteurs. IEEE Trans Comput 10:1285–1297Short KL (2008) VHDL for engineers, 1st edn. Pearson, LondonSieh V, Tschache O, Balbach F (1997) Verify: evaluation of reliability using VHDL-models with embedded fault descriptions. In: International symposium on fault-tolerant computing, pp 32–36Singh L, Drucker L (2004) Advanced verification techniques. Frontiers in electronic testing. Springer, New YorkTuzov I, de Andrés D, Ruiz JC (2017) Dependability-aware design space exploration for optimal synthesis parameters tuning. In: IEEE/IFIP international conference on dependable systems and networks, pp 1–12Tuzov I, de Andrés D, Ruiz JC (2017) Robustness assessment via simulation-based fault injection of the implementation level models of the LEON3, MC8051, and PIC microcontrollers in presence of stuck-at, bit-flip, pulse, and delay fault models [Data set], Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.891316Tuzov I, de Andrés D, Ruiz JC (2018) DAVOS: EDA toolkit for dependability assessment, verification, optimization and selection of hardware models. In: IEEE/IFIP international conference on dependable systems and networks, pp 322–329Tuzov I, Ruiz JC, de Andrés D (2017) Accurately simulating the effects of faults in VHDL models described at the implementation-level. In: European dependable computing conference, pp 10–17Wang LT, Chang YW, Cheng KT (2009) Electronic design automation: synthesis, verification, and test. Morgan Kaufmann, BurlingtonXilinx: Synthesis and simulation design guide, UG626 (v14.4) (2012). https://www.xilinx.com/support/documentation/sw_manuals/xilinx14_7/sim.pd

Developing a multi-level fault injection environment

textDependability and fault tolerance are important aspects of modern computer systems. Particle strikes or electromagnetic interference can cause internal state of the system to change, which might cause errors to the system with non-negligible probability. Such errors are termed "soft errors". Bit flips in the design are good way to model these soft-errors. These bit-flips due to soft errors are random and transient in a design, making their analysis more difficult than simple stuck-at faults. Interestingly only a few of the flops which are affected by radiation cause soft errors, due to different propagation paths and functional impact of the flops. In order to improve the dependability of a system with reasonable overhead, the flops in a design which are most vulnerable to soft errors need to be protected. Each application case can potentially expose a slightly different set of flip-flops as vulnerable. Hence different tools are required to confidently analyse soft errors for evaluating the fault tolerance. As part of the thesis, I have developed a suite of tools for analyzing soft errors. The multi-level tools are necessary for complete fault tolerance analysis and identifying the most vulnerable flip-flops in a specific processor. The first part of the thesis describes the FPGA development framework for a specific processor. Simulation based fault injection techniques are described in the later sections. The final parts cover analysis techniques and applications that can benefit from such systems.Electrical and Computer Engineerin

New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs

Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones. To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach. The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way. The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos. Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística. Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática. Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus. Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística. Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica. Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi

Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems

[ES] La utilización de sistemas empotrados en cada vez más ámbitos de aplicación está llevando a que su diseño deba enfrentarse a mayores requisitos de rendimiento, consumo de energía y área (PPA). Asimismo, su utilización en aplicaciones críticas provoca que deban cumplir con estrictos requisitos de confiabilidad para garantizar su correcto funcionamiento durante períodos prolongados de tiempo. En particular, el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA es un gran desafío desde la perspectiva de la confiabilidad, ya que estos dispositivos son muy sensibles a la radiación. Por todo ello, la confiabilidad debe considerarse como uno de los criterios principales para la toma de decisiones a lo largo del todo flujo de diseño, que debe complementarse con diversos procesos que permitan alcanzar estrictos requisitos de confiabilidad. Primero, la evaluación de la robustez del diseño permite identificar sus puntos débiles, guiando así la definición de mecanismos de tolerancia a fallos. Segundo, la eficacia de los mecanismos definidos debe validarse experimentalmente. Tercero, la evaluación comparativa de la confiabilidad permite a los diseñadores seleccionar los componentes prediseñados (IP), las tecnologías de implementación y las herramientas de diseño (EDA) más adecuadas desde la perspectiva de la confiabilidad. Por último, la exploración del espacio de diseño (DSE) permite configurar de manera óptima los componentes y las herramientas seleccionados, mejorando así la confiabilidad y las métricas PPA de la implementación resultante. Todos los procesos anteriormente mencionados se basan en técnicas de inyección de fallos para evaluar la robustez del sistema diseñado. A pesar de que existe una amplia variedad de técnicas de inyección de fallos, varias problemas aún deben abordarse para cubrir las necesidades planteadas en el flujo de diseño. Aquellas soluciones basadas en simulación (SBFI) deben adaptarse a los modelos de nivel de implementación, teniendo en cuenta la arquitectura de los diversos componentes de la tecnología utilizada. Las técnicas de inyección de fallos basadas en FPGAs (FFI) deben abordar problemas relacionados con la granularidad del análisis para poder localizar los puntos débiles del diseño. Otro desafío es la reducción del coste temporal de los experimentos de inyección de fallos. Debido a la alta complejidad de los diseños actuales, el tiempo experimental dedicado a la evaluación de la confiabilidad puede ser excesivo incluso en aquellos escenarios más simples, mientras que puede ser inviable en aquellos procesos relacionados con la evaluación de múltiples configuraciones alternativas del diseño. Por último, estos procesos orientados a la confiabilidad carecen de un soporte instrumental que permita cubrir el flujo de diseño con toda su variedad de lenguajes de descripción de hardware, tecnologías de implementación y herramientas de diseño. Esta tesis aborda los retos anteriormente mencionados con el fin de integrar, de manera eficaz, estos procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño. Primeramente, se proponen nuevos métodos de inyección de fallos que permiten una evaluación de la confiabilidad, precisa y detallada, en diferentes niveles del flujo de diseño. Segundo, se definen nuevas técnicas para la aceleración de los experimentos de inyección que mejoran su coste temporal. Tercero, se define dos estrategias DSE que permiten configurar de manera óptima (desde la perspectiva de la confiabilidad) los componentes IP y las herramientas EDA, con un coste experimental mínimo. Cuarto, se propone un kit de herramientas que automatiza e incorpora con eficacia los procesos orientados a la confiabilidad en el flujo de diseño semicustom. Finalmente, se demuestra la utilidad y eficacia de las propuestas mediante un caso de estudio en el que se implementan tres procesadores empotrados en un FPGA de Xilinx serie 7.[CA] La utilització de sistemes encastats en cada vegada més àmbits d'aplicació està portant al fet que el seu disseny haja d'enfrontar-se a majors requisits de rendiment, consum d'energia i àrea (PPA). Així mateix, la seua utilització en aplicacions crítiques provoca que hagen de complir amb estrictes requisits de confiabilitat per a garantir el seu correcte funcionament durant períodes prolongats de temps. En particular, l'ús de dispositius lògics programables de tipus FPGA és un gran desafiament des de la perspectiva de la confiabilitat, ja que aquests dispositius són molt sensibles a la radiació. Per tot això, la confiabilitat ha de considerar-se com un dels criteris principals per a la presa de decisions al llarg del tot flux de disseny, que ha de complementar-se amb diversos processos que permeten aconseguir estrictes requisits de confiabilitat. Primer, l'avaluació de la robustesa del disseny permet identificar els seus punts febles, guiant així la definició de mecanismes de tolerància a fallades. Segon, l'eficàcia dels mecanismes definits ha de validar-se experimentalment. Tercer, l'avaluació comparativa de la confiabilitat permet als dissenyadors seleccionar els components predissenyats (IP), les tecnologies d'implementació i les eines de disseny (EDA) més adequades des de la perspectiva de la confiabilitat. Finalment, l'exploració de l'espai de disseny (DSE) permet configurar de manera òptima els components i les eines seleccionats, millorant així la confiabilitat i les mètriques PPA de la implementació resultant. Tots els processos anteriorment esmentats es basen en tècniques d'injecció de fallades per a poder avaluar la robustesa del sistema dissenyat. A pesar que existeix una àmplia varietat de tècniques d'injecció de fallades, diverses problemes encara han d'abordar-se per a cobrir les necessitats plantejades en el flux de disseny. Aquelles solucions basades en simulació (SBFI) han d'adaptar-se als models de nivell d'implementació, tenint en compte l'arquitectura dels diversos components de la tecnologia utilitzada. Les tècniques d'injecció de fallades basades en FPGAs (FFI) han d'abordar problemes relacionats amb la granularitat de l'anàlisi per a poder localitzar els punts febles del disseny. Un altre desafiament és la reducció del cost temporal dels experiments d'injecció de fallades. A causa de l'alta complexitat dels dissenys actuals, el temps experimental dedicat a l'avaluació de la confiabilitat pot ser excessiu fins i tot en aquells escenaris més simples, mentre que pot ser inviable en aquells processos relacionats amb l'avaluació de múltiples configuracions alternatives del disseny. Finalment, aquests processos orientats a la confiabilitat manquen d'un suport instrumental que permeta cobrir el flux de disseny amb tota la seua varietat de llenguatges de descripció de maquinari, tecnologies d'implementació i eines de disseny. Aquesta tesi aborda els reptes anteriorment esmentats amb la finalitat d'integrar, de manera eficaç, aquests processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny. Primerament, es proposen nous mètodes d'injecció de fallades que permeten una avaluació de la confiabilitat, precisa i detallada, en diferents nivells del flux de disseny. Segon, es defineixen noves tècniques per a l'acceleració dels experiments d'injecció que milloren el seu cost temporal. Tercer, es defineix dues estratègies DSE que permeten configurar de manera òptima (des de la perspectiva de la confiabilitat) els components IP i les eines EDA, amb un cost experimental mínim. Quart, es proposa un kit d'eines (DAVOS) que automatitza i incorpora amb eficàcia els processos orientats a la confiabilitat en el flux de disseny semicustom. Finalment, es demostra la utilitat i eficàcia de les propostes mitjançant un cas d'estudi en el qual s'implementen tres processadors encastats en un FPGA de Xilinx serie 7.[EN] Embedded systems are steadily extending their application areas, dealing with increasing requirements in performance, power consumption, and area (PPA). Whenever embedded systems are used in safety-critical applications, they must also meet rigorous dependability requirements to guarantee their correct operation during an extended period of time. Meeting these requirements is especially challenging for those systems that are based on Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), since they are very susceptible to Single Event Upsets. This leads to increased dependability threats, especially in harsh environments. In such a way, dependability should be considered as one of the primary criteria for decision making throughout the whole design flow, which should be complemented by several dependability-driven processes. First, dependability assessment quantifies the robustness of hardware designs against faults and identifies their weak points. Second, dependability-driven verification ensures the correctness and efficiency of fault mitigation mechanisms. Third, dependability benchmarking allows designers to select (from a dependability perspective) the most suitable IP cores, implementation technologies, and electronic design automation (EDA) tools. Finally, dependability-aware design space exploration (DSE) allows to optimally configure the selected IP cores and EDA tools to improve as much as possible the dependability and PPA features of resulting implementations. The aforementioned processes rely on fault injection testing to quantify the robustness of the designed systems. Despite nowadays there exists a wide variety of fault injection solutions, several important problems still should be addressed to better cover the needs of a dependability-driven design flow. In particular, simulation-based fault injection (SBFI) should be adapted to implementation-level HDL models to take into account the architecture of diverse logic primitives, while keeping the injection procedures generic and low-intrusive. Likewise, the granularity of FPGA-based fault injection (FFI) should be refined to the enable accurate identification of weak points in FPGA-based designs. Another important challenge, that dependability-driven processes face in practice, is the reduction of SBFI and FFI experimental effort. The high complexity of modern designs raises the experimental effort beyond the available time budgets, even in simple dependability assessment scenarios, and it becomes prohibitive in presence of alternative design configurations. Finally, dependability-driven processes lack an instrumental support covering the semicustom design flow in all its variety of description languages, implementation technologies, and EDA tools. Existing fault injection tools only partially cover the individual stages of the design flow, being usually specific to a particular design representation level and implementation technology. This work addresses the aforementioned challenges by efficiently integrating dependability-driven processes into the design flow. First, it proposes new SBFI and FFI approaches that enable an accurate and detailed dependability assessment at different levels of the design flow. Second, it improves the performance of dependability-driven processes by defining new techniques for accelerating SBFI and FFI experiments. Third, it defines two DSE strategies that enable the optimal dependability-aware tuning of IP cores and EDA tools, while reducing as much as possible the robustness evaluation effort. Fourth, it proposes a new toolkit (DAVOS) that automates and seamlessly integrates the aforementioned dependability-driven processes into the semicustom design flow. Finally, it illustrates the usefulness and efficiency of these proposals through a case study consisting of three soft-core embedded processors implemented on a Xilinx 7-series SoC FPGA.Tuzov, I. (2020). Dependability-driven Strategies to Improve the Design and Verification of Safety-Critical HDL-based Embedded Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159883TESI

Automatic Construction of Checking Circuits Based on Finite Automata

Cílem této práce bylo studium aktivního učení automatů, navržení a implementace softwarové architektury pro automatickou konstrukci hlídacího obvodu dané jednotky implementované v FPGA a ověření funkčnosti hlídacího obvodu pomocí injekce poruch. Hlídací obvod, tzv. online checker, má za úkol zabezpečovat danou jednotku proti poruchám. Checker je konstruován z modelu odvozeného pomocí aktivního učení automatů, které probíhá na základě komunikace se simulátorem. Pro implementaci učícího prostředí byla použita knihovna LearnLib, která poskytuje algoritmy aktivního učení automatů a jejich optimalizace. Byla navržena a implementována experimentální platforma umožňující řízenou injekci poruch do designu v FPGA, která slouží k otestování checkeru. Výsledky experimentů ukazují, že při použití checkeru a rekonfigurace je možné snížit chybovost designu o více než 98%.The aim of this thesis was to study active automata learning, to design and implement a software architecture for the automatic construction of a checking circuit for a given unit implemented in FPGA, and to verify the functionality of the checking circuit by fault injection. The checking circuit, denoted as an online checker, introduces fault tolerance aspects to the unit. The checker is constructed from a model inferred by active automata learning, which is based on communication with a simulator. To implement the learning environment, LearnLib library has been employed. It provides active automata learning algorithms and their optimizations. An experimental platform enabling controlled fault injection into a design in FPGA was designed and implemented. The platform was used to test the capabilities of the obtained checker. The experimental results show that the error rate is reduced by more than 98% if the checker and reconfiguration is used.

Analyse de testabilité au niveau transfert de registres

Synthèse automatique et analyse de testabilité -- Les définitions de base -- Analyse de testabilité à haut niveau d'abstraction -- Analyse de testabilité et d'insertion de points de test au niveau transfert de registres -- Testability analysis and test-point insertion in RTL VHDL specifications for scan-based bist -- Implantation de l'algorithme et résultats expérimentaux

Integration of FAPEC as data compressor stage in a SpaceFibre link

SpaceFibre is a new technology for use onboard spacecraft that provides point-to-point and networked interconnections at 3.125 Gbits/s in flight qualified technology. SpaceFibre is an European Space Agency (ESA) initiative and will substitute the ubiquitous SpaceWire for high speed applications in space. FAPEC is a lossless data compression algorithm that typically offers better ratios than the CCSDS 121.0 Lossless Data Compression Recommendation on realistic data sets. FAPEC was designed for space communications, where requirements are very strong in terms of energy consumption and efficiency. In this project we have demonstrated that FAPEC can be easily integrated on top of SpaceFibre to reduce the amount of information that the spacecraft network has to deal with. The integration of FAPEC with SpaceFibre has successfully been validated in a representative FPGA platform. In the developed design FAPEC operated at ~12 Msamples/s (~200 Mbit/s) using a Xilinx Spartan-6 but it is expected to reach Gbit/s speeds with some additional work. The speed of the algorithm has been improved by a factor 6 while the resource usage remains low, around 2% of a Xilinx Virtex-5QV or a Microsemi RTG4. The combination of these two technologies can help to reduce the large amounts of data generated by some satellite instruments in a transparent way, without the need of user intervention, and to provide a solution to the increasing data volumes in spacecrafts. Consequently the combination of FAPEC with SpaceFibre can help to save mass, power consumption and reduce system complexity.SpaceFibre es una nueva tecnología para uso embarcado en satélites que proporciona conexiones punto a punto y de red a 3.125 Gbit/s en tecnología calificada para espacio. SpaceFibre es una iniciativa de la Agencia Espacial Europea (ESA) y sustituirá al popular SpaceWire en aplicaciones espaciales de alta velocidad. FAPEC es un algoritmo de compresión sin pérdidas que normalmente ofrece relaciones de compresión para conjuntos de datos realistas mejores que las de la recomendación CCSDS 121.0. FAPEC ha sido diseñado para las comunicaciones espaciales, donde las restricciones de consumo de energía y eficiencia son muy fuertes. En este proyecto hemos demostrado que FAPEC puede ser integrado fácilmente con SpaceFibre para reducir la cantidad de información que la red del satélite tiene que procesar. La integración de FAPEC con SpaceFibre ha sido validada con éxito en una plataforma FPGA representativa. En el diseño desarrollado, FAPEC funciona a ~12 Mmuestras/s (~200 Mbit/s) usando una Xilinx Spartan-6 pero se espera que alcance velocidades de Gbit/s con un poco más de trabajo. La velocidad del algoritmo se ha mejorado un factor 6 mientras que el uso de recursos continua siendo bajo, alrededor de un 2% de una Xilinx Virtex-5QV o Microsemi RTG4. La combinación de estas dos tecnologías puede ayudar a reducir las grandes cantidades de datos generados por los instrumentos de los satélites de una manera transparente, sin necesidad de una intervención por parte del usuario, y de proporcionar una solución al continuo incremento de datos generados. En consecuencia, la combinación de FAPEC y SpaceFibre puede ayudar a ahorrar masa y consumo de energía, y reducir la complejidad de los sistemas.SpaceFibre és una nova tecnologia per a ús embarcat en satèl·lits que proporciona connexions punt a punt i de xarxa a 3.125 Gbit/s en tecnologia qualificada per espai. SpaceFibre és una iniciativa de l'Agència Espacial Europea (ESA) i substituirà el popular SpaceWire en aplicacions espacials d'alta velocitat. FAPEC és un algorisme de compressió sense pèrdues que normalment ofereix relacions de compressió per a conjunts de dades realistes millors que les de la recomanació CCSDS 121.0. FAPEC ha estat dissenyat per a les comunicacions espacials, on les restriccions de consum d'energia i eficiència són molt fortes. En aquest projecte hem demostrat que FAPEC pot ser integrat fàcilment amb SpaceFibre per reduir la quantitat d'informació que la xarxa del satèl·lit ha de processar. La integració de FAPEC amb SpaceFibre ha estat validada amb èxit en una plataforma FPGA representativa. En el disseny desenvolupat, FAPEC funciona a ~12 Mmostres/s (~200 Mbit/s) utilitzant una Xilinx Spartan-6 però s'espera que arribi velocitats de Gbit/s amb una mica més de feina. La velocitat de l'algorisme s'ha millorat un factor 6 mentre que l'ús de recursos continua sent baix, al voltant d'un 2% d'una Xilinx Virtex-5QV o Microsemi RTG4. La combinació d'aquestes dues tecnologies pot ajudar a reduir les grans quantitats de dades generades pels instruments dels satèl·lits d'una manera transparent, sense necessitat d'una intervenció per part de l'usuari, i de proporcionar una solució al continu increment de dades generades. En conseqüència, la combinació de FAPEC i SpaceFibre pot ajudar a estalviar massa i consum d'energia, i reduir la complexitat dels sistemes

AN EXHAUSTIVE ANALYSIS OF SEU EFFECTS IN THE SRAM MEMORY OF SOFT PROCESSOR

The Embedded system design is characterized by its daily complexity. It integrates a hardware and software parts together on a common platform. These parts may be defective by a spurious signal, subsequently found to be two types of errors. The software and hardware errors can attack the embedded system. In this paper an exhaustive analysis of the effects of Single Event Upset into the Static Random Access Memory occupied area of Aeroflex Gaisler LEON3 processor is presented. It is a soft core pipeline processor that is part of the GRLIB IP library based on Scalable Processor Architecture, SPARC V8,implemented in Virtex-5 FPGA. A new software methodology allowing fault injection is explored and illustrated in order to classify the defective behaviours while executing several benchmarks. This investigation is done by an exhaustive fault injection campaign (More than 200000 transient faults) into SRAM memory of LEON3 considered as a processor. The proposed method makes error rate predictions more accurate compared to other techniques