Escalonador em hardware para deteção de falhas em sistemas embarcados de tempo real

Abstract

Nowadays, several safety-critical embedded systems support real-time applications and their development represents a great challenge to engineers and researchers due to the risk of catastrophic effects on the system generated by a fault. Usually, real-time embedded systems process input data and generate output responses according to the functional specification of the system. However, the high complexity of the applications has made the adoption of Real-Time Operating Systems (RTOS) necessary in order to simplify the design of real-time embedded systems. Thus, the RTOS serves as an interface between software and hardware. However, real-time systems can be affected by transient faults during application running or even during the RTOS execution. Consequently, these faults can affect both, the correctness of the output responses generated and the task’s deadline specified during the project of the system. In this context, this work proposes a new hardware-based approach able to increase the reliability of the real-time embedded systems. The proposed technique is based on the development of an Infrastructure IP core (I-IP) called Hardware-Scheduler (Hw-S), which monitors the tasks’ execution in order to verify if tasks’ execution flow and the tasks’ deadline are respected. A case study implemented in an FPGA running a set of benchmarks has been developed in order to validate the proposed approach. The benchmarks developed exploit most of the RTOS services. In order to evaluate the effectiveness of the proposed technique, Hardware and Software fault injection campaigns have been performed. Indeed, the introduced overheads have been estimated. The obtained results demonstrate that the fault latency associated to the Hw-S is smaller than the one associated to the RTOS and further that the Hw-S’s fault coverage is higher than the RTOS’. Finally, the Hw-S introduces an area overhead of about 6% with respect to the Plasma microprocessor area.

O desenvolvimento de aplicações críticas de tempo real tolerantes a falhas representa um grande desafio para engenheiros e pesquisadores, visto que uma falha pode gerar efeitos catastróficos para o sistema, ocasionando grandes perdas financeiras e/ou de vidas humanas. Este tipo de sistema comumente utiliza processadores embarcados que processam dados de entrada e geram um determinado número de saídas de acordo com as especificações do mesmo. Entretanto, devido à alta complexidade dos sistemas embarcados de tempo real, é cada vez mais freqüente o uso de um sistema operacional com o objetivo de simplificar o projeto do mesmo. Basicamente, o sistema operacional de tempo real (real-time operating system - RTOS) funciona como uma interface entre o hardware e o software. Contudo, sistemas embarcados de tempo real podem ser afetados por falhas transientes. Estas falhas podem degradar tanto o funcionamento da aplicação quanto o do próprio sistema operacional embarcado. Em sistemas embarcados de tempo real, estas falhas podem afetar não somente as saídas produzidas durante a execução da aplicação, mas também as restrições de tempo associadas às tarefas executadas pelo sistema operacional. Neste contexto, o presente trabalho propõe uma nova técnica baseada em hardware capaz de aumentar a robustez de sistemas embarcados de tempo real. A técnica proposta é baseada na implementação de um Infrastructure IP core (I-IP) denominado “Escalonador- HW”, que monitora a execução das tarefas e verifica se as mesmas estão de acordo com as restrições de tempo e seqüência de execução especificadas. Para validar a técnica proposta, foi desenvolvido um estudo-de-caso baseado em um microprocessador pipeline e um kernel de RTOS, além de um conjunto de benchmarks capazes de exercitar diferentes serviços oferecidos pelo sistema operacional embarcado. Este estudo-de-caso foi mapeado em um dispositivo programável lógico (FPGA). Experimentos de injeção de falhas por Software e Hardware foram realizados para validar a capacidade de detecção de falhas e estimar os overheads introduzidos pela técnica. Os resultados demonstram que a latência de detecção de falhas é menor que a latência de detecção por parte do RTOS, sendo a cobertura de detecção do Escalonador-HW maior que à RTOS. Por ultimo, o overhead introduzido representa aproximadamente 6% do processador Plasma.