Fault Injection in the Automotive Standard ISO 26262: An Initial Approach

International audienceComplexity and criticality of automotive electronic embedded systems is steadily increasing today. A new standard —ISO 26262— recommends methods and techniques, such as fault injection, to improve safety. A first goal is to use fault injection earlier at the design stage, particularly on models providing an appropriate level of abstraction, to identify errors in the handling of safety requirements. A second objective is to use the results of these model-based analyzes to efficiently identify targets and check their implementation by fault injection. Hence, a verification approach, based on fault injection, has to be defined to complement conventional testing methods and analyzes traditionally used in automotive development process. The paper discusses the various steps of this approach, the link between abstraction and implementation, and gives a brief illustration on a real automotive application

From Safety Analysis to Experimental Validation by Fault Injection—Case of Automotive Embedded Systems

En raison de la complexité croissante des systèmes automobiles embarqués, la sûreté de fonctionnement est devenue un enjeu majeur de l’industrie automobile. Cet intérêt croissant s’est traduit par la sortie en 2011 de la norme ISO 26262 sur la sécurité fonctionnelle. Les défis auxquelles sont confrontés les acteurs du domaine sont donc les suivants : d’une part, la conception de systèmes sûrs, et d’autre part, la conformité aux exigences de la norme ISO 26262. Notre approche se base sur l’application systématique de l’injection de fautes pour la vérification et la validation des exigences de sécurité, tout au long du cycle de développement, des phases de conception jusqu’à l’implémentation. L’injection de fautes nous permet en particulier de vérifier que les mécanismes de tolérance aux fautes sont efficaces et que les exigences non-fonctionnelles sont respectées. L’injection de faute est une technique de vérification très ancienne. Cependant, son rôle lors de la phase de conception et ses complémentarités avec la validation expérimentale, méritent d’être étudiés. Notre approche s’appuie sur l’application du modèle FARM (Fautes, Activations, Relevés et Mesures) tout au long du processus de développement. Les analyses de sûreté sont le point de départ de notre approche, avec l'identification des mécanismes de tolérance aux fautes et des exigences non-fonctionnelles, et se terminent par la validation de ces mécanismes par les expériences classiques d'injection de fautes. Enfin, nous montrons que notre approche peut être intégrée dans le processus de développement des systèmes embarqués automobiles décrits dans la norme ISO 26262. Les contributions de la thèse sont illustrées sur l’étude de cas d’un système d’éclairage avant d’une automobile. ABSTRACT : Due to the rising complexity of automotive Electric/Electronic embedded systems, Functional Safety becomes a main issue in the automotive industry. This issue has been formalized by the introduction of the ISO 26262 standard for functional safety in 2011. The challenges are, on the one hand to design safe systems based on a systematic verification and validation approach, and on the other hand, the fulfilment of the requirements of the ISO 26262 standard. Following ISO 26262 recommendations, our approach, based on fault injection, aims at verifying fault tolerance mechanisms and non-functional requirements at all steps of the development cycle, from early design phases down to implementation. Fault injection is a verification technique that has been investigated for a long time. However, the role of fault injection during design phase and its complementarities with the experimental validation of the target have not been explored. In this work, we investigate a fault injection continuum, from system design validation to experiments on implemented targets. The proposed approach considers the safety analyses as a starting point, with the identification of safety mechanisms and safety requirements, and goes down to the validation of the implementation of safety mechanisms through fault injection experiments. The whole approach is based on a key fault injection framework, called FARM (Fault, Activation, Readouts and Measures). We show that this approach can be integrated in the development process of the automotive embedded systems described in the ISO 26262 standard. Our approach is illustrated on an automotive case study: a Front-Light system

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

Safety-critical scenarios and virtual testing procedures for automated cars at road intersections

This thesis addresses the problem of road intersection safety with regard to a mixed population of automated vehicles and non-automated road users. The work derives and evaluates safety-critical scenarios at road junctions, which can pose a particular safety problem involving automated cars. A simulation and evaluation framework for car-to-car accidents is presented and demonstrated, which allows examining the safety performance of automated driving systems within those scenarios. Given the recent advancements in automated driving functions, one of the main challenges is safe and efficient operation in complex traffic situations such as road junctions. There is a need for comprehensive testing, either in virtual testing environments or on real-world test tracks. Since it is unrealistic to cover all possible combinations of traffic situations and environment conditions, the challenge is to find the key driving situations to be evaluated at junctions. Against this background, a novel method to derive critical pre-crash scenarios from historical car accident data is presented. It employs k-medoids to cluster historical junction crash data into distinct partitions and then applies the association rules algorithm to each cluster to specify the driving scenarios in more detail. The dataset used consists of 1,056 junction crashes in the UK, which were exported from the in-depth On-the-Spot database. The study resulted in thirteen crash clusters for T-junctions, and six crash clusters for crossroads. Association rules revealed common crash characteristics, which were the basis for the scenario descriptions. As a follow-up to the scenario generation, the thesis further presents a novel, modular framework to transfer the derived collision scenarios to a sub-microscopic traffic simulation environment. The software CarMaker is used with MATLAB/Simulink to simulate realistic models of vehicles, sensors and road environments and is combined with an advanced Monte Carlo method to obtain a representative set of parameter combinations. The analysis of different safety performance indicators computed from the simulation outputs reveals collision and near-miss probabilities for selected scenarios. The usefulness and applicability of the simulation and evaluation framework is demonstrated for a selected junction scenario, where the safety performance of different in-vehicle collision avoidance systems is studied. The results show that the number of collisions and conflicts were reduced to a tenth when adding a crossing and turning assistant to a basic forward collision avoidance system. Due to its modular architecture, the presented framework can be adapted to the individual needs of future users and may be enhanced with customised simulation models. Ultimately, the thesis leads to more efficient workflows when virtually testing automated driving at intersections, as a complement to field operational tests on public roads