Development of an intellectual-property core to detect task scheduling errors in rtos-based embedded systems

Abstract

Sistemas embarcados críticos fazem cada vez mais parte do nosso dia e devido à essa criticidade, os sistemas operacionais de tempo real (RTOS) tornaram-se uma solução atrativa. Para estes sistemas, o correto funcionamento depende primeiramente do tempo no qual a resposta foi dada e então da resposta lógica correta. Juntamente com eles surgiu a necessidade de vários núcleos de processamento e também a necessidade de reduzir o consumo de energia destes sistemas. Em decorrência disso, o sistema tem maior suscetibilidade a falhas transientes. Basicamente, este tipo de falha pode afetar o escalonamento das tarefas, alterando o correto funcionamento do sistema. Surge então a necessidade de promover uma solução que garanta a confiabilidade do escalonamento das tarefas do sistema.E, esta dissertação aborda o desenvolvimento e validação de um Intellectual-Property Core (I-IP) para monitoramento do algoritmo de escalonamento Earliest Deadline First (EDF). Seu objetivo é detectar falhas no escalonamento de tarefas, devendo realizar o supervisionamento passivo do processo de escalonamento de tarefas. Descrito em Very-High-Speed Integrated Circuits Hardware Description Language (VHDL), o I-IP é conectado ao barramento de endereços de cada processador, para o monitoramento. A técnica prosposta foi implementada no processador softcore HF-RISC (nomeado, processador Hellfire), que estava rodando sob o controle do Sistema Operacional HF-RISC (HellfireOS). Os resultados da simulação indicam que a técnica proposta é muito eficaz para detectar falhas que induzem o mau funcionamento do escalonamento de tarefas enquanto incorrem em penalidades aceitáveis de baixa sobrecarga de área e aumento insignificante do consumo de energia.

The employment of a Real-Time Operating System (RTOS) has become an attractive solution for designing critical real-time embedded systems that are part of our daily lives. For these systems, the correct functioning depends not only on the correct logical response, but also on the time at which the answer is given. In this regard, RTOS has emerged as an interesting solution for multiple processing cores. Furthermore, the market pressures to reduce the energy consumption that these multicore embedded systems need to operate. The main consequence of this pressure is the higher susceptibility to transient failures. This type of failure can affect the task scheduling process and change the system correct functioning. In this scenario, it is necessary to have a solution to improve the reliability of the scheduling process. Therefore, this dissertation develops and validates an Intellectual-Property Core (I-IP) able to monitor the Earliest Deadline First (EDF) scheduling algorithm running on a single core system. The I-IP performs passive monitoring of the system’s task scheduling to detect failures.Described in Very-High-Speed Integrated Circuits Hardware Description Language (VHDL), the I-IP is connected to the processor address bus to perform system monitoring. The proposed technique was implemented in the HF-RISC softcore processor (namely Hellfire processor), which was running under the control of the HF-RISC Operating System (HellfireOS). Simulation results indicate that the proposed technique effectively detects faults that induce task scheduling malfunctioning at runtime, while incurring acceptable penalties, of low area overhead and negligible energy consumption increase.