Transistor scaling has kept up with Moore's law with a doubling of the number of transistors on a chip. More logic on a chip means more opportunities for manufacturing defects to slip in. This, in turn, has made processor testing after manufacturing a significant challenge. At-speed functional testing, being completely non-intrusive, has been seen as the ideal way of testing chips. However for processor testing, generating instruction level tests for covering all faults is a challenge given the issue of scalability. Data-path faults are relatively easier to control and observe compared to control-path faults. In this research we present a novel method to generate instruction level tests for hard to detect control-path faults in a processor. We initially map the gate level stuck-at fault to the Register Transfer Level (RTL) and build an equivalent faulty RTL model. The fault activation and propagation constraints are captured using Control and Data Flow Graphs of the RTL as a Liner Temporal Logic (LTL) property. This LTL property is then negated and given to a Bounded Model Checker based on a Bit-Vector Satisfiability Module Theories (SMT) solver. From the counter-example to the property we can extract a sequence of instructions that activates the gate level fault and propagates the fault effect to one of the observable points in the design. Other than the user supplying instruction constraints, this approach is completely automatic and does not require any manual intervention. Not all the design behaviors are required to generate a test for a fault. We use this insight to scale our previous methodology further. Underapproximations are design abstractions that only capture a subset of the original design behaviors. The use of RTL for test generation affords us two types of under-approximations: bit-width reduction and operator approximation. These are abstractions that perform reductions based on semantics of the RTL design. We also explore structural reductions of the RTL, called path based search, where we search through error propagation paths incrementally. This approach increases the size of the test generation problem step by step. In this way the SMT solver searches through the state space piecewise rather than doing the entire search at once. Experimental results show that our methods are robust and scalable for generating functional tests for hard to detect faults. / text

Sistemas embarcados baseados em processadores têm sido largamente aplicados em áreas críticas no que diz respeito à segurança de seres humanos e do meio ambiente. Em tais aplicações, que compreendem desde o controle de freio de carros a missões espaciais, pode ser necessária a execução confiável de todas as funcionalidades do sistema durante longos períodos e em ambientes desconhecidos, hostis ou instáveis. Mesmo em aplicações não críticas, nas quais a confiabilidade do sistema não é um requisito primordial, o usuário final deseja que seu produto apresente comportamento estável e livre de erros. Daí vem a importância de se considerar o auto-teste on-line no projeto dos sistemas embarcados atuais. Entretanto, a crescente complexidade de tais sistemas somada às fortes restrições a que eles estão sujeitos torna o projeto do auto-teste um problema cada vez mais desafiador. Em aplicações de tempo-real a dificuldade é ainda maior, uma vez que, além dos cuidados com as restrições do sistema alvo, deve-se levar em conta o atendimento dos requisitos temporais da aplicação. Entre as técnicas de auto-teste on-line atualmente pesquisadas, uma tem se destacado pela eficácia obtida a um baixo custo de projeto e sem grande impacto no atendimento dos requisitos e restrições do sistema: o auto-teste baseado em software (SBST – Software-Based Self-Test). Neste trabalho, é proposta uma metodologia para o projeto e aplicação de auto-teste on-line para processadores embarcados, considerando-se também aplicações de temporeal. Tal metodologia, denominada STEP (Self-Test for Embedded Processors), tem como base a técnica SBST e prevê o planejamento, a geração e a seleção de rotinas de teste para o processador alvo. O método proposto garante a execução periódica do autoteste, com o menor período permitido pela aplicação de tempo-real, e assegura o atendimento de todas as restrições do sistema embarcado. Além disso, a solução fornecida pelo método alcança uma boa qualidade de teste enquanto auxilia a redução de custos do sistema final. Como estudo de caso, a metodologia proposta é aplicada a diferentes arquiteturas de processadores Java e os resultados obtidos comprovam a eficiência da mesma. Por fim, é apresentada uma ferramenta que implementa a metodologia STEP, automatizando, assim, o projeto e a aplicação de auto-teste on-line para os processadores estudados. / Processor-based embedded systems have been widely used in safety-critical applications. In such applications, which include from cars break control to spatial missions, the whole system operation must be reliable during long periods even within unknown, hostile and unstable environments. In non-critical applications, system reliability is not a prime requirement, but the final user requires an error free product, with stable behavior. Hence, one can realize the importance of on-line self-testing in current embedded systems. Self-testing is becoming an important challenge due to the increasing complexity of the systems allied to their strong constraints. In real-time applications this problem becomes even more complex, since, besides meeting systems constraints, one must take into consideration the application timing requirements. Among all on-line self-testing techniques studied, Software-Based Self-Test (SBST) has been distinguished by its effectiveness, low-cost and small impact on system constraints and requirements. This work proposes a methodology for the design and implementation of on-line self-test in embedded processors, considering real-time applications. Such a methodology, called STEP (Self-Test for Embedded Processors), is based on SBST technique and encloses planning, generation and selection of test routines for the target processor. The proposed method guarantees periodical self-test execution, at the smallest period allowed by the real-time application, and ensures that all embedded system constraints are met. Furthermore, provided solution achieves high test quality while helping in the optimization of the costs of the final system. The proposed methodology is applied to different architectures of Java processors to demonstrate its efficiency. Finally, this work presents a tool that automates the design and implementation of on-line self-test in the studied processors by implementing the STEP methodology.

Sistemas embarcados baseados em processadores têm sido largamente aplicados em áreas críticas no que diz respeito à segurança de seres humanos e do meio ambiente. Em tais aplicações, que compreendem desde o controle de freio de carros a missões espaciais, pode ser necessária a execução confiável de todas as funcionalidades do sistema durante longos períodos e em ambientes desconhecidos, hostis ou instáveis. Mesmo em aplicações não críticas, nas quais a confiabilidade do sistema não é um requisito primordial, o usuário final deseja que seu produto apresente comportamento estável e livre de erros. Daí vem a importância de se considerar o auto-teste on-line no projeto dos sistemas embarcados atuais. Entretanto, a crescente complexidade de tais sistemas somada às fortes restrições a que eles estão sujeitos torna o projeto do auto-teste um problema cada vez mais desafiador. Em aplicações de tempo-real a dificuldade é ainda maior, uma vez que, além dos cuidados com as restrições do sistema alvo, deve-se levar em conta o atendimento dos requisitos temporais da aplicação. Entre as técnicas de auto-teste on-line atualmente pesquisadas, uma tem se destacado pela eficácia obtida a um baixo custo de projeto e sem grande impacto no atendimento dos requisitos e restrições do sistema: o auto-teste baseado em software (SBST – Software-Based Self-Test). Neste trabalho, é proposta uma metodologia para o projeto e aplicação de auto-teste on-line para processadores embarcados, considerando-se também aplicações de temporeal. Tal metodologia, denominada STEP (Self-Test for Embedded Processors), tem como base a técnica SBST e prevê o planejamento, a geração e a seleção de rotinas de teste para o processador alvo. O método proposto garante a execução periódica do autoteste, com o menor período permitido pela aplicação de tempo-real, e assegura o atendimento de todas as restrições do sistema embarcado. Além disso, a solução fornecida pelo método alcança uma boa qualidade de teste enquanto auxilia a redução de custos do sistema final. Como estudo de caso, a metodologia proposta é aplicada a diferentes arquiteturas de processadores Java e os resultados obtidos comprovam a eficiência da mesma. Por fim, é apresentada uma ferramenta que implementa a metodologia STEP, automatizando, assim, o projeto e a aplicação de auto-teste on-line para os processadores estudados. / Processor-based embedded systems have been widely used in safety-critical applications. In such applications, which include from cars break control to spatial missions, the whole system operation must be reliable during long periods even within unknown, hostile and unstable environments. In non-critical applications, system reliability is not a prime requirement, but the final user requires an error free product, with stable behavior. Hence, one can realize the importance of on-line self-testing in current embedded systems. Self-testing is becoming an important challenge due to the increasing complexity of the systems allied to their strong constraints. In real-time applications this problem becomes even more complex, since, besides meeting systems constraints, one must take into consideration the application timing requirements. Among all on-line self-testing techniques studied, Software-Based Self-Test (SBST) has been distinguished by its effectiveness, low-cost and small impact on system constraints and requirements. This work proposes a methodology for the design and implementation of on-line self-test in embedded processors, considering real-time applications. Such a methodology, called STEP (Self-Test for Embedded Processors), is based on SBST technique and encloses planning, generation and selection of test routines for the target processor. The proposed method guarantees periodical self-test execution, at the smallest period allowed by the real-time application, and ensures that all embedded system constraints are met. Furthermore, provided solution achieves high test quality while helping in the optimization of the costs of the final system. The proposed methodology is applied to different architectures of Java processors to demonstrate its efficiency. Finally, this work presents a tool that automates the design and implementation of on-line self-test in the studied processors by implementing the STEP methodology.

Sistemas embarcados baseados em processadores têm sido largamente aplicados em áreas críticas no que diz respeito à segurança de seres humanos e do meio ambiente. Em tais aplicações, que compreendem desde o controle de freio de carros a missões espaciais, pode ser necessária a execução confiável de todas as funcionalidades do sistema durante longos períodos e em ambientes desconhecidos, hostis ou instáveis. Mesmo em aplicações não críticas, nas quais a confiabilidade do sistema não é um requisito primordial, o usuário final deseja que seu produto apresente comportamento estável e livre de erros. Daí vem a importância de se considerar o auto-teste on-line no projeto dos sistemas embarcados atuais. Entretanto, a crescente complexidade de tais sistemas somada às fortes restrições a que eles estão sujeitos torna o projeto do auto-teste um problema cada vez mais desafiador. Em aplicações de tempo-real a dificuldade é ainda maior, uma vez que, além dos cuidados com as restrições do sistema alvo, deve-se levar em conta o atendimento dos requisitos temporais da aplicação. Entre as técnicas de auto-teste on-line atualmente pesquisadas, uma tem se destacado pela eficácia obtida a um baixo custo de projeto e sem grande impacto no atendimento dos requisitos e restrições do sistema: o auto-teste baseado em software (SBST – Software-Based Self-Test). Neste trabalho, é proposta uma metodologia para o projeto e aplicação de auto-teste on-line para processadores embarcados, considerando-se também aplicações de temporeal. Tal metodologia, denominada STEP (Self-Test for Embedded Processors), tem como base a técnica SBST e prevê o planejamento, a geração e a seleção de rotinas de teste para o processador alvo. O método proposto garante a execução periódica do autoteste, com o menor período permitido pela aplicação de tempo-real, e assegura o atendimento de todas as restrições do sistema embarcado. Além disso, a solução fornecida pelo método alcança uma boa qualidade de teste enquanto auxilia a redução de custos do sistema final. Como estudo de caso, a metodologia proposta é aplicada a diferentes arquiteturas de processadores Java e os resultados obtidos comprovam a eficiência da mesma. Por fim, é apresentada uma ferramenta que implementa a metodologia STEP, automatizando, assim, o projeto e a aplicação de auto-teste on-line para os processadores estudados. / Processor-based embedded systems have been widely used in safety-critical applications. In such applications, which include from cars break control to spatial missions, the whole system operation must be reliable during long periods even within unknown, hostile and unstable environments. In non-critical applications, system reliability is not a prime requirement, but the final user requires an error free product, with stable behavior. Hence, one can realize the importance of on-line self-testing in current embedded systems. Self-testing is becoming an important challenge due to the increasing complexity of the systems allied to their strong constraints. In real-time applications this problem becomes even more complex, since, besides meeting systems constraints, one must take into consideration the application timing requirements. Among all on-line self-testing techniques studied, Software-Based Self-Test (SBST) has been distinguished by its effectiveness, low-cost and small impact on system constraints and requirements. This work proposes a methodology for the design and implementation of on-line self-test in embedded processors, considering real-time applications. Such a methodology, called STEP (Self-Test for Embedded Processors), is based on SBST technique and encloses planning, generation and selection of test routines for the target processor. The proposed method guarantees periodical self-test execution, at the smallest period allowed by the real-time application, and ensures that all embedded system constraints are met. Furthermore, provided solution achieves high test quality while helping in the optimization of the costs of the final system. The proposed methodology is applied to different architectures of Java processors to demonstrate its efficiency. Finally, this work presents a tool that automates the design and implementation of on-line self-test in the studied processors by implementing the STEP methodology.