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

BAE Systems Radiation Hardened SpaceWire ASIC and Roadmap

An Application Specific Integrated Circuit (ASIC) that implements the SpaceWire protocol has been developed in a radiation hardened 0.25 micron CMOS, technology. This effort began in March 2003 as a joint development between the NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) and BAE Systems. The BAE Systems SpaceWire ASlC is comprised entirely of reusable core elements, many of which are already flight-proven. It incorporates a 4-port SpaceWire router with two local ports, dual PC1 bus interfaces, a microcontroller, 32KB of internal memory, -and a memory controller for additional external memory use. The SpaceWire ASlC is planned for use on both the Geostationary Operational Environmental Satellites (GOES)-R and the Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO). Engineering parts have already been delivered to both programs. This paper discusses the SpaceWire protocol and those elements of it that have been built into the current SpaceWire reusable core. There are features within the core that go beyond the current standard that can be enabled or disabled by the user and these will be described. The adaptation of SpaceWire to BAE Systems' On Chip Bus (OCB) for compatibility with the other reusable cores will be discussed. Optional configurations within user systems will be shown. The physical imp!ementation of the design will be described and test results from the hardware will be discussed. Finally, the BAE Systems roadmap for SpaceWire developments will be discussed, including some products already in design as well as longer term plans

Applications in Electronics Pervading Industry, Environment and Society

This book features the manuscripts accepted for the Special Issue “Applications in Electronics Pervading Industry, Environment and Society—Sensing Systems and Pervasive Intelligence” of the MDPI journal Sensors. Most of the papers come from a selection of the best papers of the 2019 edition of the “Applications in Electronics Pervading Industry, Environment and Society” (APPLEPIES) Conference, which was held in November 2019. All these papers have been significantly enhanced with novel experimental results. The papers give an overview of the trends in research and development activities concerning the pervasive application of electronics in industry, the environment, and society. The focus of these papers is on cyber physical systems (CPS), with research proposals for new sensor acquisition and ADC (analog to digital converter) methods, high-speed communication systems, cybersecurity, big data management, and data processing including emerging machine learning techniques. Physical implementation aspects are discussed as well as the trade-off found between functional performance and hardware/system costs

Analyse und Erweiterung eines fehler-toleranten NoC für SRAM-basierte FPGAs in Weltraumapplikationen

Data Processing Units for scientific space mission need to process ever higher volumes of data and perform ever complex calculations. But the performance of available space-qualified general purpose processors is just in the lower three digit megahertz range, which is already insufficient for some applications. As an alternative, suitable processing steps can be implemented in hardware on a space-qualified SRAM-based FPGA. However, suitable devices are susceptible against space radiation. At the Institute for Communication and Network Engineering a fault-tolerant, network-based communication architecture was developed, which enables the construction of processing chains on the basis of different processing modules within suitable SRAM-based FPGAs and allows the exchange of single processing modules during runtime, too. The communication architecture and its protocol shall isolate non SEU mitigated or just partial SEU mitigated modules affected by radiation-induced faults to prohibit the propagation of errors within the remaining System-on-Chip. In the context of an ESA study, this communication architecture was extended with further components and implemented in a representative hardware platform. Based on the acquired experiences during the study, this work analyses the actual fault-tolerance characteristics as well as weak points of this initial implementation. At appropriate locations, the communication architecture was extended with mechanisms for fault-detection and fault-differentiation as well as with a hardware-based monitoring solution. Both, the former measures and the extension of the employed hardware-platform with selective fault-injection capabilities for the emulation of radiation-induced faults within critical areas of a non SEU mitigated processing module, are used to evaluate the effects of radiation-induced faults within the communication architecture. By means of the gathered results, further measures to increase fast detection and isolation of faulty nodes are developed, selectively implemented and verified. In particular, the ability of the communication architecture to isolate network nodes without SEU mitigation could be significantly improved.Instrumentenrechner für wissenschaftliche Weltraummissionen müssen ein immer höheres Datenvolumen verarbeiten und immer komplexere Berechnungen ausführen. Die Performanz von verfügbaren qualifizierten Universalprozessoren liegt aber lediglich im unteren dreistelligen Megahertz-Bereich, was für einige Anwendungen bereits nicht mehr ausreicht. Als Alternative bietet sich die Implementierung von entsprechend geeigneten Datenverarbeitungsschritten in Hardware auf einem qualifizierten SRAM-basierten FPGA an. Geeignete Bausteine sind jedoch empfindlich gegenüber der Strahlungsumgebung im Weltraum. Am Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze wurde eine fehlertolerante netzwerk-basierte Kommunikationsarchitektur entwickelt, die innerhalb eines geeigneten SRAM-basierten FPGAs Datenverarbeitungsmodule miteinander nach Bedarf zu Verarbeitungsketten verbindet, sowie den Austausch von einzelnen Modulen im Betrieb ermöglicht. Nicht oder nur partiell SEU mitigierte Module sollen bei strahlungsbedingten Fehlern im Modul durch das Protokoll und die Fehlererkennungsmechanismen der Kommunikationsarchitektur isoliert werden, um ein Ausbreiten des Fehlers im restlichen System-on-Chip zu verhindern. Im Kontext einer ESA Studie wurde diese Kommunikationsarchitektur um Komponenten erweitert und auf einer repräsentativen Hardwareplattform umgesetzt. Basierend auf den gesammelten Erfahrungen aus der Studie, wird in dieser Arbeit eine Analyse der tatsächlichen Fehlertoleranz-Eigenschaften sowie der Schwachstellen dieser ursprünglichen Implementierung durchgeführt. Die Kommunikationsarchitektur wurde an geeigneten Stellen um Fehlerdetektierungs- und Fehlerunterscheidungsmöglichkeiten erweitert, sowie um eine hardwarebasierte Überwachung ergänzt. Sowohl diese Maßnahmen, als auch die Erweiterung der Hardwareplattform um gezielte Fehlerinjektions-Möglichkeiten zum Emulieren von strahlungsinduzierten Fehlern in kritischen Komponenten eines nicht SEU mitigierten Prozessierungsmoduls werden genutzt, um die tatsächlichen auftretenden Effekte in der Kommunikationsarchitektur zu evaluieren. Anhand der Ergebnisse werden weitere Verbesserungsmaßnahmen speziell zur schnellen Detektierung und Isolation von fehlerhaften Knoten erarbeitet, selektiv implementiert und verifiziert. Insbesondere die Fähigkeit, fehlerhafte, nicht SEU mitigierte Netzwerkknoten innerhalb der Kommunikationsarchitektur zu isolieren, konnte dabei deutlich verbessert werden

Run-time reconfigurable, fault-tolerant FPGA systems for space applications

Cozzi D. Run-time reconfigurable, fault-tolerant FPGA systems for space applications. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2016.The aim of this thesis is to investigate the use of Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) on Commercial Off-the-Shelf (COTS) FPGAs in space applications. Reconfigurable systems gained interest in a wide range of application fields, including aerospace, where electronic devices are exposed to a harsh working environment. COTS SRAM-based FPGA devices represent an interesting hardware platform for this kind of systems since they combine low cost with the possibility to utilize state-of-the-art processing power as well as the flexibility of reconfigurable hardware. FPGA architectures have high computational power and thanks to their ability to be reconfigured at run-time, they became interesting candidates for payload processing in space applications. The presented Dynamic Reconfigurable Processing Module (DRPM) has been developed to investigate the use of the DPR approach for satellite payload processing. This scalable platform combines dynamically reconfigurable FPGAs with the required avionic interfaces (e.g., SpaceWire, MIL-STD-1553B, and SpaceFibre). In particular, a novel communication interface has been developed, the Heterogeneous Multi Processor Communication Interface (HMPCI), which allows inter-process communication with small latency and low memory footprint. Current synthesis tools do not support fully the DPR capabilities of FPGAs. Therefore, this thesis introduces INDRA 2.0: an INtegrated Design flow for Reconfigurable Architectures. The key part of INDRA 2.0 is DHHarMa: a Design flow for Homogeneous Hard Macros, which generates homogeneous hard macros for Xilinx FPGAs starting from a high-level description (e.g., VHDL). In particular, the homogeneous DHHarMa router is explained in detail, providing novel terminologies and algorithms, which have enabled the generation of homogeneous routed designs. Results have been shown that Design flow for Homogeneous Hard Macros (DHHarMa) can route homogeneously a communication infrastructure utilizing just between 1% and 31% more resources than the Xilinx router, which cannot provide a homogeneous solution. Furthermore, the permanent faults that can occur on FPGAs have been investigated. This thesis presents OLT(RE)2: an on-line on-demand approach to testing permanent faults induced by radiation in reconfigurable systems used in space missions. The proposed approach relies on a test circuit and custom placer and router. OLT(RE)2 exploits DPR to place the test circuits at run-time. Its goal is to test unprogrammed areas of the FPGA before using them. Experimental results of OLT(RE)2 have shown that is possible to generate, place, and route the test circuits needed to detect on average more than 99 % of the physical wires and on average about 97 % of the programmable interconnection points of a large arbitrary region of the FPGA in a reasonable time. Moreover, the test can be run on the target device without interfering the functional behavior of the system

Dynamisch partielle Rekonfiguration in fehlertoleranten FPGA-Systemen

Korf S. Dynamisch partielle Rekonfiguration in fehlertoleranten FPGA-Systemen. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2017.Die Anforderungen an mikroelektronische Systeme steigen kontinuierlich. Rekonfigurierbare Architekturen bieten einen Kompromiss zwischen der Leistungsfähigkeit anwendungsspezifischer Schaltungen (ASICs) und der Flexibilität heutiger Prozessoren. Sogenannte im Feld programmierbare Gatter-Arrays (engl. Field-Programmable Gate Arrays, FPGAs) haben sich hierbei in den letzten Jahrzehnten besonders etabliert. Die Konfigurationsart dynamisch partielle Rekonfiguration (DPR) moderner SRAM-basierter FPGAs verdeutlicht die gewonnene System-Flexibilität. DPR wird in verschiedensten Anwendungsgebieten aus unterschiedlichsten Motivationen heraus eingesetzt. Die Hauptanwendung der DPR ist die Erstellung eines Systems, welches Veränderungen an der Schaltung auf dem FPGA zur Laufzeit erlaubt. Obwohl viele FPGA-Familien bereits seit zwei Jahrzehnten DPR hardwareseitig ermöglichen, ist die Unterstützung durch die Hersteller-Software und insbesondere die Eigenschaften des daraus resultierenden DPR-Systems verbesserungswürdig. Um das Potenzial der verfügbaren Hardware-Flexibilität ausnutzen zu können, wird in dieser Dissertation ein neuer Entwurfsablauf (INDRA 2.0, INtegrated Design Flow for Reconfigurable Architectures) vorgestellt. Dieser Entwurfsablauf ermöglicht die Erstellung eines flexiblen DPR-Systems mit geringem Speicher-, Verwaltungs- und Wartungsaufwand. Für Anwendungen mit Homogenitätsanforderungen wird mit DHHarMa (Design Flow for Homogeneous Hard Macros) ein Entwurfsablauf vorgestellt, der die Transformation eines zunächst inhomogenen Designs in ein homogenes Design ermöglicht. Bei dieser Design-Homogenisierung ergibt sich die Fragestellung nach möglichen Auswirkungen bezüglich des FPGA-Ressourcenbedarfs und der Leistungsfähigkeit durch die einzelnen Homogenisierungsschritte. Die einzelnen DHHarMa-Softwarekomponenten wurden daher detailliert durch verschiedene Bewertungsmaße analysiert. Hierbei konnte festgehalten werden, dass die Homogenisierungsschritte im Mittel einen, teils deutlichen, positiven Einfluss auf den FPGA-Ressourcenbedarf jedoch teils einen geringen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit hat. Die verwendete FPGA-Architektur hat hierbei auf beide Größen einen entscheidenden Einfluss. Zusätzlich wird in Anwendungsgebieten mit Strahlungseinfluss die DPR-Funktionalität in Verfahren zur Abschwächung von durch Strahlung induzierten Fehlern eingesetzt. In der Dissertation wird mit der Readback Scrubbing Unit eine Komponente vorgestellt, welche eine Einbitfehlerkorrektur und Zweibitfehlererkennung im FPGA-Konfigurationsspeicher implementiert. Durch integrierte Fehlerstatistikmechanismen wird eine Analyse des Systems zur Laufzeit realisiert. Zusätzlich ist die Erstellung von Readback Scrubbing Schedules möglich, sodass die Fehlererkennung und -korrektur zum einen autonom und zum anderen zur Laufzeit angepasst werden kann. Zusätzlich wird mit OLT(RE)² (On-Line on-demand Testing approach for permanent Radiation Effects in REconfigurable systems) ein Selbsttest für ein SRAM-basiertes FPGA vorgestellt. Dieser Selbsttest ermöglicht zur Systemlaufzeit eine Überprüfung einer FPGA-Fläche vor der Verwendung auf permanente Fehler in den Verdrahtungsressourcen

Radiation Tolerant Electronics, Volume II

Research on radiation tolerant electronics has increased rapidly over the last few years, resulting in many interesting approaches to model radiation effects and design radiation hardened integrated circuits and embedded systems. This research is strongly driven by the growing need for radiation hardened electronics for space applications, high-energy physics experiments such as those on the large hadron collider at CERN, and many terrestrial nuclear applications, including nuclear energy and safety management. With the progressive scaling of integrated circuit technologies and the growing complexity of electronic systems, their ionizing radiation susceptibility has raised many exciting challenges, which are expected to drive research in the coming decade.After the success of the first Special Issue on Radiation Tolerant Electronics, the current Special Issue features thirteen articles highlighting recent breakthroughs in radiation tolerant integrated circuit design, fault tolerance in FPGAs, radiation effects in semiconductor materials and advanced IC technologies and modelling of radiation effects

VHDL design of a spacefibre routing switch

The technology advancement of satellite instruments requires increasingly fast interconnection technologies, for which no stan-dardised solution exists. SpaceFibre is the forthcoming protocol promising to overcome the limitation of its predecessor SpaceWire, offering data-rate higher than 1 Gbps. However, while several implementations of the SpaceFibre IP already exist, its Network Layer is still at experimental level. This article describes the architecture of an implemented SpaceFibre Routing Switch and provides synthesis results for common FPGAs