O desafio de implementar tolerância a falhas em sistemas embarcados advém das restrições físicas de ocupação de área, dissipação de potência e consumo de energia desses sistemas. A necessidade de otimizar essas três restrições de projeto concomitante à computação dentro dos requisitos de desempenho e de tempo-real cria um problema difícil de ser resolvido. Soluções clássicas de tolerância a falhas tais como redundância modular dupla e tripla não são factíveis devido ao alto custo em potência e a falta de um mecanismo para se recuperar erros. Apesar de algumas técnicas existentes reduzirem o overhead de potência e área, essas incorrem em alta degradação de desempenho e muitas vezes assumem um modelo de falhas que não é factível. Essa tese introduz a Pilha de HW/SW Transacional, ou simplesmente Pilha, para gerenciar de maneira eficiente as restrições de área, potência, cobertura de falhas e desempenho. A Pilha introduz uma nova estratégia de compilação que organiza os programas em Blocos Básicos Transacionais (BBT), juntamente com um novo processador, a Arquitetura de Blocos Básicos Transacionais (ABBT), a qual provê detecção e recuperação de erros de grão fino e determinística ao usar o BBT como um contâiner de erros e como unidade de checkpointing. Duas soluções para prover a semântica de execução do BBT em hardware são propostas, uma baseada em software e a outra em hardware. A área, potência, desempenho e cobertura de falhas foram avaliadas através do modelo de hardware do ABBT. A Pilha provê uma cobertura de falhas de 99,35%, com overhead de 2,05 em potência e 2,65 de área. A Pilha apresenta overhead de desempenho de 1,33 e 1,54, dependento do modelo de hardware usado para suportar a semântica de execução do BBT. / Fault tolerance implementation in embedded systems is challenging because the physical constraints of area occupation, power dissipation, and energy consumption of these systems. The need for optimizing these three physical constraints while doing computation within the available performance goals and real-time deadlines creates a conundrum that is hard to solve. Classical fault tolerance solutions such as triple and dual modular redundancy are not feasible due to their high power overhead or lack of efficient and deterministic error recovery. Existing techniques, although some of them reduce the power and area overhead, incur heavy perfor- mance penalties and most of the time do not assume a feasible fault model. This dissertation introduces the Transactional HW/SW Stack, or simply Stack, to effi- ciently manage the area, power, fault coverage, and performance conundrum. The Stack introduces a new compilation strategy that assembles programs into Transac- tional Basic Blocks, together with a novel microprocessor, the TransactiOnal Basic Block Architecture (ToBBA), which provides fine-grained error detection and deter- ministic error rollback and elimination using the Transactional Basic Blocks (TBBs) both as a container for errors and as a small unit of data checkpointing. Two so- lutions to sustain the TBB semantics in hardware are introduced: software- and hardware-based. Stack’s area, power, performance, and coverage were evaluated using ToBBA’s hardware implementation model. The Stack attains an error correc- tion coverage of 99.35% with 2.05 power overhead within an area overhead of 2.65. The Stack also presents a performance overhead of 1.33 or 1.54, depending on the hardware model adopted to support the TBB.

Este trabalho aborda os soft errors em conversores de dados analógico-digitais e a mitigação usando redundância e diversidade. Nas tecnologias CMOS recentes, os efeitos singulares (SEEs, Single Event Effects) são um grupo de efeitos da radiação espacial que afetam a confiabilidade e disponibilidade dos sistemas. Os soft errors são SEEs que não danificam diretamente o sistema e podem ser posteriormente corrigidos. Seus principais subgrupos são o Single Event Upset (SEU), o Single Event Transient (SET) e o Single Event Functional Interrupt (SEFI). Uma das técnicas em nível de sistema amplamente usadas para proteger os circuitos eletrônicos desses efeitos é a Redundância Modular Tripla (TMR, Triple Modular Redundancy), que pode ainda ser melhorada com a adição da técnica de diversidade. Nesse contexto, esse trabalho adota um esquema baseado nessas duas técnicas para a implementação de um sistema de aquisição de dados (SAD) analógico-digital. Seus objetivos são observar o comportamento dos conversores de dados frente aos soft errors e avaliar a eficácia de um sistema baseado em TMR e diversidade espacial-temporal contra esses efeitos da radiação. A implementação desse SAD em um SoC (System-on-Chip) da Cypress Semiconductor, chamado PSoC 5LP e fabricado em tecnologia CMOS de 130 nm, propiciou a realização de dois estudos: no primeiro, é realizada a irradiação com nêutrons, caso de particular interesse para os equipamentos eletrônicos embarcados em aviões; e no segundo, são realizadas injeções de falhas por software e em tempo de execução nos registradores de controle dos periféricos e na SRAM do PSoC 5LP. O resultado da irradiação do primeiro estudo foi a não observância de erros, o que impediu cumprir os objetivos propostos para esse teste. Essa situação permitiu duas observações principais: primeiro, o fluxo de nêutrons do experimento é uma característica fundamental que impacta na capacidade de se observar os efeitos da radiação, principalmente quando a seção de choque do circuito em análise é baixa; e segundo, de que a probabilidade de ocorrerem mascaramentos de SETs nos circuitos combinacionais e analógicos é elevada, o que contribui significativamente para reduzir a sensibilidade desses circuitos. Para avaliar a eficácia do sistema baseado em TMR e diversidade espacial-temporal foi então realizada uma investigação teórica baseada em análise combinatória, e os resultados mostraram que a adição de diversidade temporal gera, em comparação ao TMR clássico, um ganho significativo na tolerância de falhas duplas e múltiplas, ao preço de um aumento do atraso do circuito. Os resultados das injeções de falhas por software e em tempo de execução nos registradores de controle dos periféricos e na SRAM mostraram que apenas um baixo percentual das falhas injetadas é detectado na forma de erros, convergindo para a justificativa de que os mascaramentos foram determinantes para a não observância de erros no primeiro estudo, de injeção de falhas por radiação. Também verificou-se que os registradores de controle dos periféricos são mais importantes no nível de aplicação do que os dados da memória SRAM. Considerações sobre a auto injeção de falhas e auto monitoramento sugerem que a utilização desses conceitos pode trazer diversas limitações e complicadores aos testes. / The present thesis addresses the soft errors in analog-to-digital data converters and mitigation of such errors using redundancy and diversity. In modern CMOS technologies, the Single Event Effects (SEEs) comprises an important group of space radiation effects that influence the reliability and availability of the systems. Soft errors are SEEs that do not directly damage the system and that can be further corrected. Their main subgroups are the Single Event Upset (SEU), the Single Event Transient (SET) and the Single Event Functional Interrupt (SEFI). One of the system level techniques broadly used to protect the electronic circuits against these effects is the Triple Modular Redundancy (TMR), which may be improved with the addition of the diversity technique. In this context, this work proposes a scheme based on these two techniques to implement a tolerant analog-to-digital data acquisition system (DAS). The main objectives are to observe the behavior of the data converters under soft errors, and evaluate the effectiveness of a system based on TMR and spatial-temporal diversity on mitigating these radiation effects. The implementation of this DAS in a Programmable SoC (System-on-Chip) from Cypress Semiconductor (PSoC 5LP) manufactured in 130 nm CMOS, allowed the development of two studies. In the first one, an irradiation with neutrons is performed, case of particular interest to electronic equipment embedded on planes. In the second study, runtime software fault injections are performed at the peripheral control registers and SRAM of the studied device. As a result from irradiation on the first study no errors were found, what does not allowed meet the objectives of this test. This situation allow two main observations: first, the neutron flux of the experiment is a key feature that influences the ability to observe the radiation effects, mainly when the cross section of the circuit in analysis is low; and second, the probability of occurring SETs masking in combinational and analog circuits is high, which contributes significantly to reduce the sensibility of these circuits. To evaluate the effectiveness of a system based on TMR and spatial-temporal diversity then was performed a theoretical investigation based on combinatorial analysis, and the results show that the addition of temporal diversity generates a significant gain in tolerating double and multiple faults, if compared to the classical TMR, at the price of an increase in the circuit delay. The results of the second study, performed by runtime software fault injections at the peripheral control registers and SRAM, showed that only a low percentage of injected faults is detected as errors, according to the justification that no errors were found on irradiation of neutrons due to masking. Also was verified that at the application level the peripheral control registers are more important than the data stored in the SRAM memory. Considerations for faults self-injection and self-monitoring were done, suggesting that the use of these concepts may bring numerous limitations to the test.

Este trabalho aborda os soft errors em conversores de dados analógico-digitais e a mitigação usando redundância e diversidade. Nas tecnologias CMOS recentes, os efeitos singulares (SEEs, Single Event Effects) são um grupo de efeitos da radiação espacial que afetam a confiabilidade e disponibilidade dos sistemas. Os soft errors são SEEs que não danificam diretamente o sistema e podem ser posteriormente corrigidos. Seus principais subgrupos são o Single Event Upset (SEU), o Single Event Transient (SET) e o Single Event Functional Interrupt (SEFI). Uma das técnicas em nível de sistema amplamente usadas para proteger os circuitos eletrônicos desses efeitos é a Redundância Modular Tripla (TMR, Triple Modular Redundancy), que pode ainda ser melhorada com a adição da técnica de diversidade. Nesse contexto, esse trabalho adota um esquema baseado nessas duas técnicas para a implementação de um sistema de aquisição de dados (SAD) analógico-digital. Seus objetivos são observar o comportamento dos conversores de dados frente aos soft errors e avaliar a eficácia de um sistema baseado em TMR e diversidade espacial-temporal contra esses efeitos da radiação. A implementação desse SAD em um SoC (System-on-Chip) da Cypress Semiconductor, chamado PSoC 5LP e fabricado em tecnologia CMOS de 130 nm, propiciou a realização de dois estudos: no primeiro, é realizada a irradiação com nêutrons, caso de particular interesse para os equipamentos eletrônicos embarcados em aviões; e no segundo, são realizadas injeções de falhas por software e em tempo de execução nos registradores de controle dos periféricos e na SRAM do PSoC 5LP. O resultado da irradiação do primeiro estudo foi a não observância de erros, o que impediu cumprir os objetivos propostos para esse teste. Essa situação permitiu duas observações principais: primeiro, o fluxo de nêutrons do experimento é uma característica fundamental que impacta na capacidade de se observar os efeitos da radiação, principalmente quando a seção de choque do circuito em análise é baixa; e segundo, de que a probabilidade de ocorrerem mascaramentos de SETs nos circuitos combinacionais e analógicos é elevada, o que contribui significativamente para reduzir a sensibilidade desses circuitos. Para avaliar a eficácia do sistema baseado em TMR e diversidade espacial-temporal foi então realizada uma investigação teórica baseada em análise combinatória, e os resultados mostraram que a adição de diversidade temporal gera, em comparação ao TMR clássico, um ganho significativo na tolerância de falhas duplas e múltiplas, ao preço de um aumento do atraso do circuito. Os resultados das injeções de falhas por software e em tempo de execução nos registradores de controle dos periféricos e na SRAM mostraram que apenas um baixo percentual das falhas injetadas é detectado na forma de erros, convergindo para a justificativa de que os mascaramentos foram determinantes para a não observância de erros no primeiro estudo, de injeção de falhas por radiação. Também verificou-se que os registradores de controle dos periféricos são mais importantes no nível de aplicação do que os dados da memória SRAM. Considerações sobre a auto injeção de falhas e auto monitoramento sugerem que a utilização desses conceitos pode trazer diversas limitações e complicadores aos testes. / The present thesis addresses the soft errors in analog-to-digital data converters and mitigation of such errors using redundancy and diversity. In modern CMOS technologies, the Single Event Effects (SEEs) comprises an important group of space radiation effects that influence the reliability and availability of the systems. Soft errors are SEEs that do not directly damage the system and that can be further corrected. Their main subgroups are the Single Event Upset (SEU), the Single Event Transient (SET) and the Single Event Functional Interrupt (SEFI). One of the system level techniques broadly used to protect the electronic circuits against these effects is the Triple Modular Redundancy (TMR), which may be improved with the addition of the diversity technique. In this context, this work proposes a scheme based on these two techniques to implement a tolerant analog-to-digital data acquisition system (DAS). The main objectives are to observe the behavior of the data converters under soft errors, and evaluate the effectiveness of a system based on TMR and spatial-temporal diversity on mitigating these radiation effects. The implementation of this DAS in a Programmable SoC (System-on-Chip) from Cypress Semiconductor (PSoC 5LP) manufactured in 130 nm CMOS, allowed the development of two studies. In the first one, an irradiation with neutrons is performed, case of particular interest to electronic equipment embedded on planes. In the second study, runtime software fault injections are performed at the peripheral control registers and SRAM of the studied device. As a result from irradiation on the first study no errors were found, what does not allowed meet the objectives of this test. This situation allow two main observations: first, the neutron flux of the experiment is a key feature that influences the ability to observe the radiation effects, mainly when the cross section of the circuit in analysis is low; and second, the probability of occurring SETs masking in combinational and analog circuits is high, which contributes significantly to reduce the sensibility of these circuits. To evaluate the effectiveness of a system based on TMR and spatial-temporal diversity then was performed a theoretical investigation based on combinatorial analysis, and the results show that the addition of temporal diversity generates a significant gain in tolerating double and multiple faults, if compared to the classical TMR, at the price of an increase in the circuit delay. The results of the second study, performed by runtime software fault injections at the peripheral control registers and SRAM, showed that only a low percentage of injected faults is detected as errors, according to the justification that no errors were found on irradiation of neutrons due to masking. Also was verified that at the application level the peripheral control registers are more important than the data stored in the SRAM memory. Considerations for faults self-injection and self-monitoring were done, suggesting that the use of these concepts may bring numerous limitations to the test.

O desafio de implementar tolerância a falhas em sistemas embarcados advém das restrições físicas de ocupação de área, dissipação de potência e consumo de energia desses sistemas. A necessidade de otimizar essas três restrições de projeto concomitante à computação dentro dos requisitos de desempenho e de tempo-real cria um problema difícil de ser resolvido. Soluções clássicas de tolerância a falhas tais como redundância modular dupla e tripla não são factíveis devido ao alto custo em potência e a falta de um mecanismo para se recuperar erros. Apesar de algumas técnicas existentes reduzirem o overhead de potência e área, essas incorrem em alta degradação de desempenho e muitas vezes assumem um modelo de falhas que não é factível. Essa tese introduz a Pilha de HW/SW Transacional, ou simplesmente Pilha, para gerenciar de maneira eficiente as restrições de área, potência, cobertura de falhas e desempenho. A Pilha introduz uma nova estratégia de compilação que organiza os programas em Blocos Básicos Transacionais (BBT), juntamente com um novo processador, a Arquitetura de Blocos Básicos Transacionais (ABBT), a qual provê detecção e recuperação de erros de grão fino e determinística ao usar o BBT como um contâiner de erros e como unidade de checkpointing. Duas soluções para prover a semântica de execução do BBT em hardware são propostas, uma baseada em software e a outra em hardware. A área, potência, desempenho e cobertura de falhas foram avaliadas através do modelo de hardware do ABBT. A Pilha provê uma cobertura de falhas de 99,35%, com overhead de 2,05 em potência e 2,65 de área. A Pilha apresenta overhead de desempenho de 1,33 e 1,54, dependento do modelo de hardware usado para suportar a semântica de execução do BBT. / Fault tolerance implementation in embedded systems is challenging because the physical constraints of area occupation, power dissipation, and energy consumption of these systems. The need for optimizing these three physical constraints while doing computation within the available performance goals and real-time deadlines creates a conundrum that is hard to solve. Classical fault tolerance solutions such as triple and dual modular redundancy are not feasible due to their high power overhead or lack of efficient and deterministic error recovery. Existing techniques, although some of them reduce the power and area overhead, incur heavy perfor- mance penalties and most of the time do not assume a feasible fault model. This dissertation introduces the Transactional HW/SW Stack, or simply Stack, to effi- ciently manage the area, power, fault coverage, and performance conundrum. The Stack introduces a new compilation strategy that assembles programs into Transac- tional Basic Blocks, together with a novel microprocessor, the TransactiOnal Basic Block Architecture (ToBBA), which provides fine-grained error detection and deter- ministic error rollback and elimination using the Transactional Basic Blocks (TBBs) both as a container for errors and as a small unit of data checkpointing. Two so- lutions to sustain the TBB semantics in hardware are introduced: software- and hardware-based. Stack’s area, power, performance, and coverage were evaluated using ToBBA’s hardware implementation model. The Stack attains an error correc- tion coverage of 99.35% with 2.05 power overhead within an area overhead of 2.65. The Stack also presents a performance overhead of 1.33 or 1.54, depending on the hardware model adopted to support the TBB.

This thesis deals with issue of reliability of real-time embedded systems. Contains a summary of basic concepts related to field in real-time embedded systems and mechanisms for dependability enhancement through redundancy techniques and control flow checking. Describes the implementation of selected control flow checking mechanisms, the technique uses software watchdog timers, use of hardware n-modular redundancy in software environment and technique of process pairs using operating system uC/OS-II. The different mechanisms are validated by method injection of faults into the chosen data structures of system uC/OS-II.