Desenvolvimento de um I-IP para o monitoramento da atividade do sistema operacional em processadores multinúcleos

Abstract

The use of Real-Time Operating System (RTOS) became an attractive solution to design safety-critical real-time embedded systems. At the same time, we enthusiasti-cally observe the widespread use of multicore processors in an endless list of our daily applications. It is also a common agreement the increasing market pressure to reduce power consumption under which these embedded, portable systems have to operate. As the major consequence, these systems are becoming more and more sensitive to transi-ent faults originated from a large spectrum of noisy sources such as conducted and radi-ated Electromagnetic Interference (EMI) and ionizing radiation (single-event effect: SEE and total-ionizing dose: TID). Therefore, the system’s reliability degrades. In this work, we discuss the development and validation of an Infrastructure-Intellectual Prop-erty (I-IP) able to monitor the RTOS’ activity in a multicore processor system-on-chip. The final goal is to detect faults that corrupt the task scheduling process in embedded systems based on preemptive RTOS. Examples of such faults could be those that pre-vent the processor from attending an interruption of higher priority, tasks that are strict-ly allocated to run on a given core, but are running on another one, or even the execu-tion of low-priority tasks that are passed over high-priority ones in the ready-task list maintained on-the-fly by the RTOS. This I-IP, namely RTOS-Watchdog, was described in VHDL and is connected to each of the processor CPU-Addresses busses. The RTOS–Watchdog has a parameterizable interface to easily fit any processor bus. A case-study based on a multicore processor running different test programs under the control of a typical preemptive RTOS was implemented. The case-study was prototyped in a Xilinx Virtex4 FPGA mounted on a dedicated platform (board plus con-trol software) fully developed at the Computing Signals & Systems’ Group (SiSC) [1] of the Catholic University (PUCRS). For validation, the whole system was exposed to combined effects of EMI and TID. Such experiments were performed in several steps, part of them carried out at PUCRS, Brazil, and part at the Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) and Centro Atómico, both located in the city of Buenos Aires, Argentina. The obtained results demonstrate that the proposed approach provides higher fault coverage and reduced fault latency when compared to the native fault detec-tion mechanisms embedded in the kernel of the RTOS.

O uso de sistemas operacionais de tempo real (Real-Time Operating Systems, RTOS), tornou-se uma solução atrativa para o projeto de sistemas embarcados críticos de tempo real. Ao mesmo tempo, observamos com entusiasmo o amplo uso de proces-sadores multicores em uma lista interminável de nossas aplicações diárias. É também um acordo comum a crescente pressão do mercado para reduzir o consumo de energia em que estes sistemas portáteis embarcados necessitam para operar. A principal conse-quência é que estes sistemas estão se tornando cada vez mais suscetíveis à falhas transi-entes originadas por um amplo espectro de fontes de ruídos como Interferência Eletro-magnética (Electromagnetic Interference, EMI) conduzida e irradiada e radiação ioni-zante (single-event transient: SET e total-ionizing dose: TID). Portanto, a confiabilidade destes sistemas é degradada. Nesta dissertação, discute-se o desenvolvimento e valida-ção de um I-IP (Infrastructure-Intellectual Property) capaz de monitorar a atividade do RTOS em um processador multicore. O objetivo final é detectar falhas que corrompem o processo de escalonamento de tarefas em sistema sistemas embarcados baseados em RTOS preemptivos. Como exemplo destas falhas podem ser aquelas que impedem o processador de atender uma interrupção de alta prioridade, tarefas alocadas para serem executadas por um determinado núcleo, mas que são executadas por outro núcleo, ou até a execução de tarefas de baixa prioridade enquanto houver tarefas de alta prioridade na lista de tarefas prontas atualizada dinamicamente pelo RTOS. Este I-IP, chamado RTOS–Watchdog, foi descrito em VHDL e é conectado ao Barramento de Endereços da CPU em cada núcleo do processador. O RTOS–Watchdog possui uma interface parame-trizável de modo a facilitar a adaptação a qualquer processador. Um estudo de caso baseado em um processador multicore executando diferen-tes benchmarks sob o controle de um RTOS preemptivo típico foi desenvolvido. O es-tudo de caso foi prototipado em uma FPGA Xilinx Virtex4 montada em uma plataforma dedicada (placa mais software de controle) totalmente desenvolvida no Grupo Compu-ting Signals & Systems (SiSC) [1] da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul (PUCRS). Para a validação, todo o sistema foi exposto aos efeitos combinados de EMI e TID. Estes experimentos foram realizados em diversos passos, parte deles foram realizados na PUCRS, Brasil e parte no Instituto Nacional de Tecnologia Industrial (INTI) e Centro Atómico, ambos na cidade de Buenos Aires, Argentina. Os resultados demonstram que a abordagem proposta fornece uma maior cobertura de falhas e latência de falhas reduzida quando comparados aos mecanismos de detecção de falhas nativos embarcados no kernel do RTOS.