A Holistic Approach to Functional Safety for Networked Cyber-Physical Systems

Functional safety is a significant concern in today's networked cyber-physical systems such as connected machines, autonomous vehicles, and intelligent environments. Simulation is a well-known methodology for the assessment of functional safety. Simulation models of networked cyber-physical systems are very heterogeneous relying on digital hardware, analog hardware, and network domains. Current functional safety assessment is mainly focused on digital hardware failures while minor attention is devoted to analog hardware and not at all to the interconnecting network. In this work we believe that in networked cyber-physical systems, the dependability must be verified not only for the nodes in isolation but also by taking into account their interaction through the communication channel. For this reason, this work proposes a holistic methodology for simulation-based safety assessment in which safety mechanisms are tested in a simulation environment reproducing the high-level behavior of digital hardware, analog hardware, and network communication. The methodology relies on three main automatic processes: 1) abstraction of analog models to transform them into system-level descriptions, 2) synthesis of network infrastructures to combine multiple cyber-physical systems, and 3) multi-domain fault injection in digital, analog, and network. Ultimately, the flow produces a homogeneous optimized description written in C++ for fast and reliable simulation which can have many applications. The focus of this thesis is performing extensive fault simulation and evaluating different functional safety metrics, \eg, fault and diagnostic coverage of all the safety mechanisms

A conceptual framework for semantic case-based safety analysis

Hazard and Operability (HAZOP) Analysis and Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) are among the most widely used safety analysis procedures in the development of safety-critical and embedded systems. These analyses are generally perceived as complex and time-consuming, hindering an effective reuse of previous results or experiences. In this paper we present a conceptual semantic case-based framework for safety analysis, which facilitates the reuse of previous HAZOP and FMEA experiences in order to reduce the time and effort associated with these analyses. We present the core technologies of the conceptual framework and evaluated a prototype of the framework, KROSA, in an experiment with domain experts at ABB Norway. Initial results confirm the viability of the conceptual framework for industrial applicatio

Re-use of tests and arguments for assesing dependable mixed-critically systems

The safety assessment of mixed-criticality systems (MCS) is a challenging activity due to system heterogeneity, design constraints and increasing complexity. The foundation for MCSs is the integrated architecture paradigm, where a compact hardware comprises multiple execution platforms and communication interfaces to implement concurrent functions with different safety requirements. Besides a computing platform providing adequate isolation and fault tolerance mechanism, the development of an MCS application shall also comply with the guidelines defined by the safety standards. A way to lower the overall MCS certification cost is to adopt a platform-based design (PBD) development approach. PBD is a model-based development (MBD) approach, where separate models of logic, hardware and deployment support the analysis of the resulting system properties and behaviour. The PBD development of MCSs benefits from a composition of modular safety properties (e.g. modular safety cases), which support the derivation of mixed-criticality product lines. The validation and verification (V&V) activities claim a substantial effort during the development of programmable electronics for safety-critical applications. As for the MCS dependability assessment, the purpose of the V&V is to provide evidences supporting the safety claims. The model-based development of MCSs adds more V&V tasks, because additional analysis (e.g., simulations) need to be carried out during the design phase. During the MCS integration phase, typically hardware-in-the-loop (HiL) plant simulators support the V&V campaigns, where test automation and fault-injection are the key to test repeatability and thorough exercise of the safety mechanisms. This dissertation proposes several V&V artefacts re-use strategies to perform an early verification at system level for a distributed MCS, artefacts that later would be reused up to the final stages in the development process: a test code re-use to verify the fault-tolerance mechanisms on a functional model of the system combined with a non-intrusive software fault-injection, a model to X-in-the-loop (XiL) and code-to-XiL re-use to provide models of the plant and distributed embedded nodes suited to the HiL simulator, and finally, an argumentation framework to support the automated composition and staged completion of modular safety-cases for dependability assessment, in the context of the platform-based development of mixed-criticality systems relying on the DREAMS harmonized platform.La dificultad para evaluar la seguridad de los sistemas de criticidad mixta (SCM) aumenta con la heterogeneidad del sistema, las restricciones de diseño y una complejidad creciente. Los SCM adoptan el paradigma de arquitectura integrada, donde un hardware embebido compacto comprende múltiples plataformas de ejecución e interfaces de comunicación para implementar funciones concurrentes y con diferentes requisitos de seguridad. Además de una plataforma de computación que provea un aislamiento y mecanismos de tolerancia a fallos adecuados, el desarrollo de una aplicación SCM además debe cumplir con las directrices definidas por las normas de seguridad. Una forma de reducir el coste global de la certificación de un SCM es adoptar un enfoque de desarrollo basado en plataforma (DBP). DBP es un enfoque de desarrollo basado en modelos (DBM), en el que modelos separados de lógica, hardware y despliegue soportan el análisis de las propiedades y el comportamiento emergente del sistema diseñado. El desarrollo DBP de SCMs se beneficia de una composición modular de propiedades de seguridad (por ejemplo, casos de seguridad modulares), que facilitan la definición de líneas de productos de criticidad mixta. Las actividades de verificación y validación (V&V) representan un esfuerzo sustancial durante el desarrollo de aplicaciones basadas en electrónica confiable. En la evaluación de la seguridad de un SCM el propósito de las actividades de V&V es obtener las evidencias que apoyen las aseveraciones de seguridad. El desarrollo basado en modelos de un SCM incrementa las tareas de V&V, porque permite realizar análisis adicionales (por ejemplo, simulaciones) durante la fase de diseño. En las campañas de pruebas de integración de un SCM habitualmente se emplean simuladores de planta hardware-in-the-loop (HiL), en donde la automatización de pruebas y la inyección de faltas son la clave para la repetitividad de las pruebas y para ejercitar completamente los mecanismos de tolerancia a fallos. Esta tesis propone diversas estrategias de reutilización de artefactos de V&V para la verificación temprana de un MCS distribuido, artefactos que se emplearán en ulteriores fases del desarrollo: la reutilización de código de prueba para verificar los mecanismos de tolerancia a fallos sobre un modelo funcional del sistema combinado con una inyección de fallos de software no intrusiva, la reutilización de modelo a X-in-the-loop (XiL) y código a XiL para obtener modelos de planta y nodos distribuidos aptos para el simulador HiL y, finalmente, un marco de argumentación para la composición automatizada y la compleción escalonada de casos de seguridad modulares, en el contexto del desarrollo basado en plataformas de sistemas de criticidad mixta empleando la plataforma armonizada DREAMS.Kritikotasun nahastuko sistemen segurtasun ebaluazioa jarduera neketsua da beraien heterogeneotasuna dela eta. Sistema hauen oinarria arkitektura integratuen paradigman datza, non hardware konpaktu batek exekuzio plataforma eta komunikazio interfaze ugari integratu ahal dituen segurtasun baldintza desberdineko funtzio konkurrenteak inplementatzeko. Konputazio plataformek isolamendu eta akatsen aurkako mekanismo egokiak emateaz gain, segurtasun arauek definituriko jarraibideak jarraitu behar dituzte kritikotasun mistodun aplikazioen garapenean. Sistema hauen zertifikazio prozesuaren kostua murrizteko aukera bat plataformetan oinarritutako garapenean (PBD) datza. Garapen planteamendu hau modeloetan oinarrituriko garapena da (MBD) non modeloaren logika, hardware eta garapen desberdinak sistemaren propietateen eta portaeraren aurka aztertzen diren. Kritikotasun mistodun sistemen PBD garapenak etekina ateratzen dio moduluetan oinarrituriko segurtasun propietateei, adibidez: segurtasun kasu modularrak (MSC). Modulu hauek kritikotasun mistodun produktu-lerroak ere hartzen dituzte kontutan. Berifikazio eta balioztatze (V&V) jarduerek esfortzu kontsideragarria eskatzen dute segurtasun-kiritikoetarako elektronika programagarrien garapenean. Kritikotasun mistodun sistemen konfiantzaren ebaluazioaren eta V&V jardueren helburua segurtasun eskariak jasotzen dituzten frogak proportzionatzea da. Kritikotasun mistodun sistemen modelo bidezko garapenek zeregin gehigarriak atxikitzen dizkio V&V jarduerari, fase honetan analisi gehigarriak (hots, simulazioak) zehazten direlako. Bestalde, kritikotasun mistodun sistemen integrazio fasean, hardware-in-the-loop (Hil) simulazio plantek V&V iniziatibak sostengatzen dituzte non testen automatizazioan eta akatsen txertaketan funtsezko jarduerak diren. Jarduera hauek frogen errepikapena eta segurtasun mekanismoak egiaztzea ahalbidetzen dute. Tesi honek V&V artefaktuen berrerabilpenerako estrategiak proposatzen ditu, kritikotasun mistodun sistemen egiaztatze azkarrerako sistema mailan eta garapen prozesuko azken faseetaraino erabili daitezkeenak. Esate baterako, test kodearen berrabilpena akats aurkako mekanismoak egiaztatzeko, modelotik X-in-the-loop (XiL)-ra eta kodetik XiL-rako konbertsioa HiL simulaziorako eta argumentazio egitura bat DREAMS Europear proiektuan definituriko arkitektura estiloan oinarrituriko segurtasun kasu modularrak automatikoki eta gradualki sortzeko

Nuevas técnicas de inyección de fallos en sistemas embebidos mediante el uso de modelos virtuales descritos en el nivel de transacción

Mejor software y más rápido. Este es el desafío que se deriva de la necesidad de construir sistemas cada vez más inteligentes. En cualquier diseño embebido actual, el software es un componente fundamental que dota al sistema de una alta capacidad de configuración, gran número de funcionalidades y elasticidad en el comportamiento del sistema en situaciones excepcionales. Si además el desarrollo del conjunto hardware/software integrado en un System on Chip (SoC), forma parte de un sistema de control crítico donde se deben tener en cuenta requisitos de tolerancia a fallos, la verificación exhaustiva de los mismos consume un porcentaje cada vez más importante de los recursos totales dedicados al desarrollo y puesta en funcionamiento del sistema. En este contexto, el uso de metodologías clásicas de codiseño y coverificación es completamente ineficiente, siendo necesario el uso de nuevas tecnologías y herramientas para el desarrollo y verificación tempranos del software embebido. Entre ellas se puede incluir la propuesta en este trabajo de tesis, la cual aborda el problema mediante el uso de modelos ejecutables del hardware definidos en el nivel de transacción. Debido a los estrictos requisitos de robustez que imperan en el desarrollo de software espacial, es necesario llevar a cabo tareas de verificación en etapas muy tempranas del desarrollo para asegurar que los mecanismos de tolerancia a fallos, avanzados en la especificación del sistema, funcionan adecuadamente. De forma general, es deseable que estas tareas se realicen en paralelo con el desarrollo hardware, anticipando problemas o errores existentes en la especificación del sistema. Además, la verificación completa de los mecanismos de excepción implementados en el software, puede ser imposible de realizar en hardware real ya que los escenarios de fallo deben ser artificial y sistemáticamente generados mediante técnicas de inyección de fallos que permitan realizar campañas de inyección controlables, observables y reproducibles. En esta tesis se describe la investigación, desarrollo y uso de una plataforma virtual denominada "Leon2ViP", con capacidad de inyección de fallos y basada en interfaces SystemC/TLM2 para el desarrollo temprano y verificación de software embebido en el marco del proyecto Solar Orbiter. De esta forma ha sido posible ejecutar y probar exactamente el mismo código binario a ejecutar en el hardware real, pero en un entorno más controlable y determinista. Ello permite la realización de campañas de inyección de fallos muy focalizadas que no serían posible de otra manera. El uso de "\Leon2ViP" ha significado una mejora significante, en términos de coste y tiempo, en el desarrollo y verificación del software de arranque de la unidad de control del instrumento (ICU) del detector de partículas energéticas (EPD) embarcado en Solar Orbiter

Standart-konformes Snapshotting für SystemC Virtuelle Plattformen

The steady increase in complexity of high-end embedded systems goes along with an increasingly complex design process. We are currently still in a transition phase from Hardware-Description Language (HDL) based design towards virtual-platform-based design of embedded systems. As design complexity rises faster than developer productivity a gap forms. Restoring productivity while at the same time managing increased design complexity can also be achieved through focussing on the development of new tools and design methodologies. In most application areas, high-level modelling languages such as SystemC are used in early design phases. In modern software development Continuous Integration (CI) is used to automatically test if a submitted piece of code breaks functionality. Application of the CI concept to embedded system design and testing requires fast build and test execution times from the virtual platform framework. For this use case the ability to save a specific state of a virtual platform becomes necessary. The saving and restoring of specific states of a simulation requires the ability to serialize all data structures within the simulation models. Improving the frameworks and establishing better methods will only help to narrow the design gap, if these changes are introduced with the needs of the engineers and developers in mind. Ultimately, it is their productivity that shall be improved. The ability to save the state of a virtual platform enables developers to run longer test campaigns that can even contain randomized test stimuli. If the saved states are modifiable the developers can inject faulty states into the simulation models. This work contributes an extension to the SoCRocket virtual platform framework to enable snapshotting. The snapshotting extension can be considered a reference implementation as the utilization of current SystemC/TLM standards makes it compatible to other frameworkds. Furthermore, integrating the UVM SystemC library into the framework enables test driven development and fast validation of SystemC/TLM models using snapshots. These extensions narrow the design gap by supporting designers, testers and developers to work more efficiently.Die stetige Steigerung der Komplexität eingebetteter Systeme geht einher mit einer ebenso steigenden Komplexität des Entwurfsprozesses. Wir befinden uns momentan in der Übergangsphase vom Entwurf von eingebetteten Systemen basierend auf Hardware-Beschreibungssprachen hin zum Entwurf ebendieser basierend auf virtuellen Plattformen. Da die Entwurfskomplexität rasanter steigt als die Produktivität der Entwickler, entsteht eine Kluft. Die Produktivität wiederherzustellen und gleichzeitig die gesteigerte Entwurfskomplexität zu bewältigen, kann auch erreicht werden, indem der Fokus auf die Entwicklung neuer Werkzeuge und Entwurfsmethoden gelegt wird. In den meisten Anwendungsgebieten werden Modellierungssprachen auf hoher Ebene, wie zum Beispiel SystemC, in den frühen Entwurfsphasen benutzt. In der modernen Software-Entwicklung wird Continuous Integration (CI) benutzt um automatisiert zu überprüfen, ob eine eingespielte Änderung am Quelltext bestehende Funktionalitäten beeinträchtigt. Die Anwendung des CI-Konzepts auf den Entwurf und das Testen von eingebetteten Systemen fordert schnelle Bau- und Test-Ausführungszeiten von dem genutzten Framework für virtuelle Plattformen. Für diesen Anwendungsfall wird auch die Fähigkeit, einen bestimmten Zustand der virtuellen Plattform zu speichern, erforderlich. Das Speichern und Wiederherstellen der Zustände einer Simulation erfordert die Serialisierung aller Datenstrukturen, die sich in den Simulationsmodellen befinden. Das Verbessern von Frameworks und Etablieren besserer Methodiken hilft nur die Entwurfs-Kluft zu verringern, wenn diese Änderungen mit Berücksichtigung der Bedürfnisse der Entwickler und Ingenieure eingeführt werden. Letztendlich ist es ihre Produktivität, die gesteigert werden soll. Die Fähigkeit den Zustand einer virtuellen Plattform zu speichern, ermöglicht es den Entwicklern, längere Testkampagnen laufen zu lassen, die auch zufällig erzeugte Teststimuli beinhalten können oder, falls die gespeicherten Zustände modifizierbar sind, fehlerbehaftete Zustände in die Simulationsmodelle zu injizieren. Mein mit dieser Arbeit geleisteter Beitrag beinhaltet die Erweiterung des SoCRocket Frameworks um Checkpointing Funktionalität im Sinne einer Referenzimplementierung. Weiterhin ermöglicht die Integration der UVM SystemC Bibliothek in das Framework die Umsetzung der testgetriebenen Entwicklung und schnelle Validierung von SystemC/TLM Modellen mit Hilfe von Snapshots

Co-simulation techniques based on virtual platforms for SoC design and verification in power electronics applications

En las últimas décadas, la inversión en el ámbito energético ha aumentado considerablemente. Actualmente, existen numerosas empresas que están desarrollando equipos como convertidores de potencia o máquinas eléctricas con sistemas de control de última generación. La tendencia actual es usar System-on-chips y Field Programmable Gate Arrays para implementar todo el sistema de control. Estos dispositivos facilitan el uso de algoritmos de control más complejos y eficientes, mejorando la eficiencia de los equipos y habilitando la integración de los sistemas renovables en la red eléctrica. Sin embargo, la complejidad de los sistemas de control también ha aumentado considerablemente y con ello la dificultad de su verificación. Los sistemas Hardware-in-the-loop (HIL) se han presentado como una solución para la verificación no destructiva de los equipos energéticos, evitando accidentes y pruebas de alto coste en bancos de ensayo. Los sistemas HIL simulan en tiempo real el comportamiento de la planta de potencia y su interfaz para realizar las pruebas con la placa de control en un entorno seguro. Esta tesis se centra en mejorar el proceso de verificación de los sistemas de control en aplicaciones de electrónica potencia. La contribución general es proporcionar una alternativa a al uso de los HIL para la verificación del hardware/software de la tarjeta de control. La alternativa se basa en la técnica de Software-in-the-loop (SIL) y trata de superar o abordar las limitaciones encontradas hasta la fecha en el SIL. Para mejorar las cualidades de SIL se ha desarrollado una herramienta software denominada COSIL que permite co-simular la implementación e integración final del sistema de control, sea software (CPU), hardware (FPGA) o una mezcla de software y hardware, al mismo tiempo que su interacción con la planta de potencia. Dicha plataforma puede trabajar en múltiples niveles de abstracción e incluye soporte para realizar co-simulación mixtas en distintos lenguajes como C o VHDL. A lo largo de la tesis se hace hincapié en mejorar una de las limitaciones de SIL, su baja velocidad de simulación. Se proponen diferentes soluciones como el uso de emuladores software, distintos niveles de abstracción del software y hardware, o relojes locales en los módulos de la FPGA. En especial se aporta un mecanismo de sincronizaron externa para el emulador software QEMU habilitando su emulación multi-core. Esta aportación habilita el uso de QEMU en plataformas virtuales de co-simulacion como COSIL. Toda la plataforma COSIL, incluido el uso de QEMU, se ha analizado bajo diferentes tipos de aplicaciones y bajo un proyecto industrial real. Su uso ha sido crítico para desarrollar y verificar el software y hardware del sistema de control de un convertidor de 400 kVA

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues

Complete Model-Based Testing Applied to the Railway Domain

Testing is the most important verification technique to assert the correctness of an embedded system. Model-based testing (MBT) is a popular approach that generates test cases from models automatically. For the verification of safety-critical systems, complete MBT strategies are most promising. Complete testing strategies can guarantee that all errors of a certain kind are revealed by the generated test suite, given that the system-under-test fulfils several hypotheses. This work presents a complete testing strategy which is based on equivalence class abstraction. Using this approach, reactive systems, with a potentially infinite input domain but finitely many internal states, can be abstracted to finite-state machines. This allows for the generation of finite test suites providing completeness. However, for a system-under-test, it is hard to prove the validity of the hypotheses which justify the completeness of the applied testing strategy. Therefore, we experimentally evaluate the fault-detection capabilities of our equivalence class testing strategy in this work. We use a novel mutation-analysis strategy which introduces artificial errors to a SystemC model to mimic typical HW/SW integration errors. We provide experimental results that show the adequacy of our approach considering case studies from the railway domain (i.e., a speed-monitoring function and an interlocking-system controller) and from the automotive domain (i.e., an airbag controller). Furthermore, we present extensions to the equivalence class testing strategy. We show that a combination with randomisation and boundary-value selection is able to significantly increase the probability to detect HW/SW integration errors

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues