Tester for chosen sub-standard of the IEEE 802.1Q

Tato práce se zabývá analyzováním IEEE 802.1Q standardu TSN skupiny a návrhem testovacího modulu. Testovací modul je napsán v jazyku VHDL a je možné jej implementovat do Intel Stratix® V GX FPGA (5SGXEA7N2F45C2) vývojové desky. Standard IEEE 802.1Q (TSN) definuje deterministickou komunikace přes Ethernet sít, v reálném čase, požíváním globálního času a správným rozvrhem vysíláním a příjmem zpráv. Hlavní funkce tohoto standardu jsou: časová synchronizace, plánování provozu a konfigurace sítě. Každá z těchto funkcí je definovaná pomocí více různých podskupin tohoto standardu. Podle definice IEEE 802.1Q standardu je možno tyto podskupiny vzájemně libovolně kombinovat. Některé podskupiny standardu nemohou fungovat nezávisle, musí využívat funkce jiných podskupin standardu. Realizace funkce podskupin standardu je možná softwarově, hardwarově, nebo jejich kombinací. Na základě výše uvedených fakt, implementace podskupin standardu, které jsou softwarově související, byly vyloučené. Taky byly vyloučené podskupiny standardů, které jsou závislé na jiných podskupinách. IEEE 802.1Qbu byl vybrán jako vhodná část pro realizaci hardwarového testu. Různé způsoby testování byly vysvětleny jako DFT, BIST, ATPG a další jiné techniky. Pro hardwarové testování byla vybrána „Protocol Aware (PA)“technika, protože tato technika zrychluje testování, dovoluje opakovanou použitelnost a taky zkracuje dobu uvedení na trh. Testovací modul se skládá ze dvou objektů (generátor a monitor), které mají implementovanou IEEE 802.1Qbu podskupinu standardu. Funkce generátoru je vygenerovat náhodné nebo nenáhodné impulzy a potom je poslat do testovaného zařízeni ve správném definovaném protokolu. Funkce monitoru je přijat ethernet rámce a ověřit jejich správnost. Objekty jsou navrhnuty stejným způsobem na „TOP“úrovni a skládají se ze čtyř modulů: Avalon MM rozhraní, dvou šablon a jednoho portu. Avalon MM rozhraní bylo vytvořeno pro komunikaci softwaru s hardwarem. Tento modul přijme pakety ze softwaru a potom je dekóduje podle definovaného protokolu a „pod-protokolu “. „Pod-protokol“se skládá z příkazu a hodnoty daného příkazu. Podle dekódovaného příkazu a hodnot daných příkazem je kontrolovaný celý objekt. Šablona se používá na generování nebo ověřování náhodných nebo nenáhodných dat. Dvě šablony byly implementovány pro expresní ověřování nebo preempční transakce, definované IEEE 802.1Qbu. Porty byly vytvořené pro komunikaci mezi testovaným zařízením a šablonou podle daného standardu. Port „generátor“má za úkol vybrat a vyslat rámce podle priority a času vysílaní. Port „monitor“přijme rámce do „content-addressable memory”, která ověřuje priority rámce a podle toho je posílá do správné šablony. Výsledky prokázaly, že tato testovací technika dosahuje vysoké rychlosti a rychlé implementace.This master paper is dealing with the analysis of IEEE 802.1Q group of TSN standards and with the design of HW tester. Standard IEEE 802.1Qbu has appeared to be an optimal solution for this paper. Detail explanation of this sub-standard are included in this paper. As HW test the implementation, a protocol aware technique was chosen in order to accelerate testing. Paper further describes architecture of this tester, with detail explanation of the modules. Essential issue of protocol aware controlling objects by SW, have been resolved and described. Result proof that this technique has reached higher speed of testing, reusability, and fast implementation.

Towards an embedded board-level tester: study of a configurable test processor

The demand for electronic systems with more features, higher performance, and less power consumption increases continuously. This is a real challenge for design and test engineers because they have to deal with electronic systems with ever-increasing complexity maintaining production and test costs low and meeting critical time to market deadlines. For a test engineer working at the board-level, this means that manufacturing defects must be detected as soon as possible and at a low cost. However, the use of classical test techniques for testing modern printed circuit boards is not sufficient, and in the worst case these techniques cannot be used at all. This is mainly due to modern packaging technologies, a high device density, and high operation frequencies of modern printed circuit boards. This leads to very long test times, low fault coverage, and high test costs. This dissertation addresses these issues and proposes an FPGA-based test approach for printed circuit boards. The concept is based on a configurable test processor that is temporarily implemented in the on-board FPGA and provides the corresponding mechanisms to communicate to external test equipment and co-processors implemented in the FPGA. This embedded test approach provides the flexibility to implement test functions either in the external test equipment or in the FPGA. In this manner, tests are executed at-speed increasing the fault coverage, test times are reduced, and the test system can be adapted automatically to the properties of the FPGA and devices located on the board. An essential part of the FPGA-based test approach deals with the development of a test processor. In this dissertation the required properties of the processor are discussed, and it is shown that the adaptation to the specific test scenario plays a very important role for the optimization. For this purpose, the test processor is equipped with configuration parameters at the instruction set architecture and microarchitecture level. Additionally, an automatic generation process for the test system and for the computation of some of the processor’s configuration parameters is proposed. The automatic generation process uses as input a model known as the device under test model (DUT-M). In order to evaluate the entire FPGA-based test approach and the viability of a processor for testing printed circuit boards, the developed test system is used to test interconnections to two different devices: a static random memory (SRAM) and a liquid crystal display (LCD). Experiments were conducted in order to determine the resource utilization of the processor and FPGA-based test system and to measure test time when different test functions are implemented in the external test equipment or the FPGA. It has been shown that the introduced approach is suitable to test printed circuit boards and that the test processor represents a realistic alternative for testing at board-level.Der Bedarf an elektronischen Systemen mit zusätzlichen Merkmalen, höherer Leistung und geringerem Energieverbrauch nimmt ständig zu. Dies stellt eine erhebliche Herausforderung für Entwicklungs- und Testingenieure dar, weil sie sich mit elektronischen Systemen mit einer steigenden Komplexität zu befassen haben. Außerdem müssen die Herstellungs- und Testkosten gering bleiben und die Produkteinführungsfristen so kurz wie möglich gehalten werden. Daraus folgt, dass ein Testingenieur, der auf Leiterplatten-Ebene arbeitet, die Herstellungsfehler so früh wie möglich entdecken und dabei möglichst niedrige Kosten verursachen soll. Allerdings sind die klassischen Testmethoden nicht in der Lage, die Anforderungen von modernen Leiterplatten zu erfüllen und im schlimmsten Fall können diese Testmethoden überhaupt nicht verwendet werden. Dies liegt vor allem an modernen Gehäuse-Technologien, der hohen Bauteildichte und den hohen Arbeitsfrequenzen von modernen Leiterplatten. Das führt zu sehr langen Testzeiten, geringer Testabdeckung und hohen Testkosten. Die Dissertation greift diese Problematik auf und liefert einen FPGA-basierten Testansatz für Leiterplatten. Das Konzept beruht auf einem konfigurierbaren Testprozessor, welcher im On-Board-FPGA temporär implementiert wird und die entsprechenden Mechanismen für die Kommunikation mit der externen Testeinrichtung und Co-Prozessoren im FPGA bereitstellt. Dadurch ist es möglich Testfunktionen flexibel entweder auf der externen Testeinrichtung oder auf dem FPGA zu implementieren. Auf diese Weise werden Tests at-speed ausgeführt, um die Testabdeckung zu erhöhen. Außerdem wird die Testzeit verkürzt und das Testsystem automatisch an die Eigenschaften des FPGAs und anderer Bauteile auf der Leiterplatte angepasst. Ein wesentlicher Teil des FPGA-basierten Testansatzes umfasst die Entwicklung eines Testprozessors. In dieser Dissertation wird über die benötigten Eigenschaften des Prozessors diskutiert und es wird gezeigt, dass die Anpassung des Prozessors an den spezifischen Testfall von großer Bedeutung für die Optimierung ist. Zu diesem Zweck wird der Prozessor mit Konfigurationsparametern auf der Befehlssatzarchitektur-Ebene und Mikroarchitektur-Ebene ausgerüstet. Außerdem wird ein automatischer Generierungsprozess für die Realisierung des Testsystems und für die Berechnung einer Untergruppe von Konfigurationsparametern des Prozessors vorgestellt. Der automatische Generierungsprozess benutzt als Eingangsinformation ein Modell des Prüflings (device under test model, DUT-M). Das entwickelte Testsystem wurde zum Testen von Leiterplatten für Verbindungen zwischen dem FPGA und zwei Bauteilen verwendet, um den FPGA-basierten Testansatz und die Durchführbarkeit des Testprozessors für das Testen auf Leiterplatte-Ebene zu evaluieren. Die zwei Bauteile sind ein Speicher mit direktem Zugriff (static random-access memory, SRAM) und eine Flüssigkristallanzeige (liquid crystal display, LCD). Die Experimente wurden durchgeführt, um den Ressourcenverbrauch des Prozessors und Testsystems festzustellen und um die Testzeit zu messen. Dies geschah durch die Implementierung von unterschiedlichen Testfunktionen auf der externen Testeinrichtung und dem FPGA. Dadurch konnte gezeigt werden, dass der FPGA-basierte Ansatz für das Testen von Leiterplatten geeignet ist und dass der Testprozessor eine realistische Alternative für das Testen auf Leiterplatten-Ebene ist

Fault-Tolerant Computing: An Overview

Coordinated Science Laboratory was formerly known as Control Systems LaboratoryNASA / NAG-1-613Semiconductor Research Corporation / 90-DP-109Joint Services Electronics Program / N00014-90-J-127

Design and Validation of Network-on-Chip Architectures for the Next Generation of Multi-synchronous, Reliable, and Reconfigurable Embedded Systems

NETWORK-ON-CHIP (NoC) design is today at a crossroad. On one hand, the design principles to efficiently implement interconnection networks in the resource-constrained on-chip setting have stabilized. On the other hand, the requirements on embedded system design are far from stabilizing. Embedded systems are composed by assembling together heterogeneous components featuring differentiated operating speeds and ad-hoc counter measures must be adopted to bridge frequency domains. Moreover, an unmistakable trend toward enhanced reconfigurability is clearly underway due to the increasing complexity of applications. At the same time, the technology effect is manyfold since it provides unprecedented levels of system integration but it also brings new severe constraints to the forefront: power budget restrictions, overheating concerns, circuit delay and power variability, permanent fault, increased probability of transient faults. Supporting different degrees of reconfigurability and flexibility in the parallel hardware platform cannot be however achieved with the incremental evolution of current design techniques, but requires a disruptive approach and a major increase in complexity. In addition, new reliability challenges cannot be solved by using traditional fault tolerance techniques alone but the reliability approach must be also part of the overall reconfiguration methodology. In this thesis we take on the challenge of engineering a NoC architectures for the next generation systems and we provide design methods able to overcome the conventional way of implementing multi-synchronous, reliable and reconfigurable NoC. Our analysis is not only limited to research novel approaches to the specific challenges of the NoC architecture but we also co-design the solutions in a single integrated framework. Interdependencies between different NoC features are detected ahead of time and we finally avoid the engineering of highly optimized solutions to specific problems that however coexist inefficiently together in the final NoC architecture. To conclude, a silicon implementation by means of a testchip tape-out and a prototype on a FPGA board validate the feasibility and effectivenes

Design and implementation of a downlink MC-CDMA receiver

Cette thèse présente une étude d'un système complet de transmission en liaison descendante utilisant la technologie multi-porteuse avec l'accès multiple par division de code (Multi-Carrier Code Division Multiple Access, MC-CDMA). L'étude inclut la synchronisation et l'estimation du canal pour un système MC-CDMA en liaison descendante ainsi que l'implémentation sur puce FPGA d'un récepteur MC-CDMA en liaison descendante en bande de base. Le MC-CDMA est une combinaison de la technique de multiplexage par fréquence orthogonale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) et de l'accès multiple par répartition de code (CDMA), et ce dans le but d'intégrer les deux technologies. Le système MC-CDMA est conçu pour fonctionner à l'intérieur de la contrainte d'une bande de fréquence de 5 MHz pour les modèles de canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire tel que décrit par le "Third Genaration Partnership Project" (3GPP). La composante OFDM du système MC-CDMA a été simulée en utilisant le logiciel MATLAB dans le but d'obtenir des paramètres de base. Des codes orthogonaux à facteur d'étalement variable (OVSF) de longueur 8 ont été choisis comme codes d'étalement pour notre système MC-CDMA. Ceci permet de supporter des taux de transmission maximum jusquà 20.6 Mbps et 22.875 Mbps (données non codées, pleine charge de 8 utilisateurs) pour les canaux intérieur/extérieur pédestre et véhiculaire, respectivement. Une étude analytique des expressions de taux d'erreur binaire pour le MC-CDMA dans un canal multivoies de Rayleigh a été réalisée dans le but d'évaluer rapidement et de façon précise les performances. Des techniques d'estimation de canal basées sur les décisions antérieures ont été étudiées afin d'améliorer encore plus les performances de taux d'erreur binaire du système MC-CDMA en liaison descendante. L'estimateur de canal basé sur les décisions antérieures et utilisant le critère de l'erreur quadratique minimale linéaire avec une matrice' de corrélation du canal de taille 64 x 64 a été choisi comme étant un bon compromis entre la performance et la complexité pour une implementation sur puce FPGA. Une nouvelle séquence d'apprentissage a été conçue pour le récepteur dans la configuration intérieur/extérieur pédestre dans le but d'estimer de façon grossière le temps de synchronisation et le décalage fréquentiel fractionnaire de la porteuse dans le domaine du temps. Les estimations fines du temps de synchronisation et du décalage fréquentiel de la porteuse ont été effectués dans le domaine des fréquences à l'aide de sous-porteuses pilotes. Un récepteur en liaison descendante MC-CDMA complet pour le canal intérieur /extérieur pédestre avec les synchronisations en temps et en fréquence en boucle fermée a été simulé avant de procéder à l'implémentation matérielle. Le récepteur en liaison descendante en bande de base pour le canal intérieur/extérieur pédestre a été implémenté sur un système de développement fabriqué par la compagnie Nallatech et utilisant le circuit XtremeDSP de Xilinx. Un transmetteur compatible avec le système de réception a également été réalisé. Des tests fonctionnels du récepteur ont été effectués dans un environnement sans fil statique de laboratoire. Un environnement de test plus dynamique, incluant la mobilité du transmetteur, du récepteur ou des éléments dispersifs, aurait été souhaitable, mais n'a pu être réalisé étant donné les difficultés logistiques inhérentes. Les taux d'erreur binaire mesurés avec différents nombres d'usagers actifs et différentes modulations sont proches des simulations sur ordinateurs pour un canal avec bruit blanc gaussien additif

Hardware realization of discrete wavelet transform cauchy Reed Solomon minimal instruction set computer architecture for wireless visual sensor networks

Large amount of image data transmitting across the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) increases the data transmission rate thus increases the power transmission. This would inevitably decreases the operating lifespan of the sensor nodes and affecting the overall operation of WVSNs. Limiting power consumption to prolong battery lifespan is one of the most important goals in WVSNs. To achieve this goal, this thesis presents a novel low complexity Discrete Wavelet Transform (DWT) Cauchy Reed Solomon (CRS) Minimal Instruction Set Computer (MISC) architecture that performs data compression and data encoding (encryption) in a single architecture. There are four different programme instructions were developed to programme the MISC processor, which are Subtract and Branch if Negative (SBN), Galois Field Multiplier (GF MULT), XOR and 11TO8 instructions. With the use of these programme instructions, the developed DWT CRS MISC were programmed to perform DWT image compression to reduce the image size and then encode the DWT coefficients with CRS code to ensure data security and reliability. Both compression and CRS encoding were performed by a single architecture rather than in two separate modules which require a lot of hardware resources (logic slices). By reducing the number of logic slices, the power consumption can be subsequently reduced. Results show that the proposed new DWT CRS MISC architecture implementation requires 142 Slices (Xilinx Virtex-II), 129 slices (Xilinx Spartan-3E), 144 Slices (Xilinx Spartan-3L) and 66 Slices (Xilinx Spartan-6). The developed DWT CRS MISC architecture has lower hardware complexity as compared to other existing systems, such as Crypto-Processor in Xilinx Spartan-6 (4828 Slices), Low-Density Parity-Check in Xilinx Virtex-II (870 slices) and ECBC in Xilinx Spartan-3E (1691 Slices). With the use of RC10 development board, the developed DWT CRS MISC architecture can be implemented onto the Xilinx Spartan-3L FPGA to simulate an actual visual sensor node. This is to verify the feasibility of developing a joint compression, encryption and error correction processing framework in WVSNs

Hardware realization of discrete wavelet transform cauchy Reed Solomon minimal instruction set computer architecture for wireless visual sensor networks

Large amount of image data transmitting across the Wireless Visual Sensor Networks (WVSNs) increases the data transmission rate thus increases the power transmission. This would inevitably decreases the operating lifespan of the sensor nodes and affecting the overall operation of WVSNs. Limiting power consumption to prolong battery lifespan is one of the most important goals in WVSNs. To achieve this goal, this thesis presents a novel low complexity Discrete Wavelet Transform (DWT) Cauchy Reed Solomon (CRS) Minimal Instruction Set Computer (MISC) architecture that performs data compression and data encoding (encryption) in a single architecture. There are four different programme instructions were developed to programme the MISC processor, which are Subtract and Branch if Negative (SBN), Galois Field Multiplier (GF MULT), XOR and 11TO8 instructions. With the use of these programme instructions, the developed DWT CRS MISC were programmed to perform DWT image compression to reduce the image size and then encode the DWT coefficients with CRS code to ensure data security and reliability. Both compression and CRS encoding were performed by a single architecture rather than in two separate modules which require a lot of hardware resources (logic slices). By reducing the number of logic slices, the power consumption can be subsequently reduced. Results show that the proposed new DWT CRS MISC architecture implementation requires 142 Slices (Xilinx Virtex-II), 129 slices (Xilinx Spartan-3E), 144 Slices (Xilinx Spartan-3L) and 66 Slices (Xilinx Spartan-6). The developed DWT CRS MISC architecture has lower hardware complexity as compared to other existing systems, such as Crypto-Processor in Xilinx Spartan-6 (4828 Slices), Low-Density Parity-Check in Xilinx Virtex-II (870 slices) and ECBC in Xilinx Spartan-3E (1691 Slices). With the use of RC10 development board, the developed DWT CRS MISC architecture can be implemented onto the Xilinx Spartan-3L FPGA to simulate an actual visual sensor node. This is to verify the feasibility of developing a joint compression, encryption and error correction processing framework in WVSNs

Side-channel attacks and countermeasures in the design of secure IC's devices for cryptographic applications

Abstract--- A lot of devices which are daily used have to guarantee the retention of sensible data. Sensible data are ciphered by a secure key by which only the key holder can get the data. For this reason, to protect the cipher key against possible attacks becomes a main issue. The research activities in hardware cryptography are involved in finding new countermeasures against various attack scenarios and, in the same time, in studying new attack methodologies. During the PhD, three different logic families to counteract Power Analysis were presented and a novel class of attacks was studied. Moreover, two different activities related to Random Numbers Generators have been addressed