Aspectos de Confiabilidade na Seminário de Andamento - SA Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul PPGCC - Faculdade de Informática Aspectos de Confiabilidade na Implementação da Unidade de Telecomando e Telemetria para Plataformas Orbitais Luciano Rigelo Azevedo luciano.azevedo@pucrs.br Orientador: Prof. Eduardo Augusto Bezerra Seminário de Andamento - SA Porto Alegre, 21 de Agosto de 2009

Sumário Introdução e Estado da Arte O Projeto UTMC Trabalho Proposto e Resultados Obtidos Andamento das Atividades Considerações Finais

Introdução A importância dos Veículos Espaciais Sistemas distintos: Plataforma Orbital e Carga Útil Tecnologias para aplicações espaciais, FPGA SRAM, Antifuse e ASIC Função da UTMC na Plataforma Orbital Padrão CCSDS/ESA na UTMC Tipos de TC e TM Aplicação de ordem crítica na missão Confiabilidade na Plataforma Orbital

Introdução Proteção contra SEUs é imperativo na UTMC Avanço tecnológico deixou sistemas altamente suscetíveis a radiação oriundas do espaço Ambiente extremamente hostíl: variações na temperatura, variações na tensão de alimentação e EMI Tolerância a falhas também é um fator importante para equipamentos a nível terrestre

Motivação Grande demanda pelos serviços fornecidos nas plataformas orbitais: Exploração espacial Comunicação Aplicações Científicas Militar Meteorologia Aplicações espaciais são exóticas e apresentam muitos desafios a respeito de sua confiabilidade Utilizar FPGA no módulo UTMC é uma solução atrativa Agregar confiabilidade em todo o módulo UTMC é essencial para o sucesso da missão

Objetivos Aplicar técnicas de confiabilidade no módulo da UTMC Analisar aspectos de confiabilidade existentes no projeto atual da UTMC Determinar qual é a técnica de tolerância a falhas a ser empregada nos dispositivos FPGA antifuse Fazer uma análise numérica do índice de confiabilidade atual e comparar o novo índice obtido Avaliar os ganhos obtidos com a aplicação das técnicas Validar o trabalho com o módulo real da UTMC

Tolerância a Falhas e Confiabilidade Tecnologia tolerante a radiação Objetivo das técnicas: eliminar ponto único de falha Inserir redundância é base de tudo Hardware – TMR, módulos redundantes, EDAC RAM Software – Programação diversitária Informação – BCH, RS, Convolucional, Paridade Tempo – Repetição da operação, re-envio de mensagem Mascarar falhas transientes e permanentes Custo da técnica deve ser observado

Trabalhos Relacionados Projeto PUC#SAT – G. Almeida Improving FPGA Design Robustness with Partial TMR – B. Pratt, M. Caffrey Fault Tolerance Implementation within SRAM Base FPGA – D. Fay, A. Shye Evaluating TMR Techniques in the Presence of Single Event Upsets – N. Rollins, M. Wirthlin, M. Caffrey

Trabalhos Relacionados Designing Fault-Tolerant Techniques for SRAM-Based FPGAs – F. Kastensmidt, G. Neuberger, L. Carro,R. Rei Fault-Tolerance in FPGAs through CRC Voting – H. Castro, A. Coelho, R. Silveira Which Concurrent Error Detection Scheme to choose – S. Mitra, E. McCluskey Antifuse FPGA Technology: Best Option for Satellite Applications – K. O’Neill On Fault Modeling and Fault Tolerance of Antifuse Based FPGAs – K. Roy

Trabalhos Relacionados An Adaptive Fault Tolerant Memory System for FPGA Based Architectures in Space Environment – K. O’Neill Improving Reliability of SRAM Based FPGAs by Inserting Redundant Routing – F. Kastensmidt, C. Filho, L. Carro Synchronous Resets? Asynchronous Resets?I am so confused!How will I ever know which to use? – Clifford E. Cummings Understanding Metastability in FPGAs – J. Chen D. Fung R. Stephenson

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Análise do Módulo da UTMC Implementa o protocolo de comunicação de acordo com as recomendações CCSDS/ESA A plataforma orbital possui dois módulos da UTMC

Análise do Módulo da UTMC Implementação das camadas do padrão CCSDS/ESA

Técnicas de Confiabilidade Existentes na UTMC Códigos corretores de erro BCH RS Códigos detectores de erro Convolucional CRC Redundância dos módulos da UTMC Redundância dos canais de transmissão Fonte de alimentação duplicada

Técnicas de Confiabilidade Existentes na UTMC Redundância na UTMC

Problemas na Implementação VHDL Metaestabilidade

Problemas na Implementação VHDL Solução: Circuito sincronizador

Problemas na Implementação VHDL Sincronismo de reset. Problema: Ruído pode acionar o reset

Problemas na Implementação VHDL Inferência automática de memória realizada pelo Synplify Depuração do código VHDL e depuração do código do LabView simultaneamente

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Proposta de Trabalho Aplicação da técnica de TMR É limitada pelos recursos da FPGA Possui ponto único de falha

Proposta de Trabalho Aplicação da TMR reduzida CED – Concurrent Error Detection

Proposta de Trabalho Utilização de EDAC RAM da Actel, família RTAX-S/SL Implementa a técnica de Scrubbing na memória da FPGA

Resultados Obtidos Metaestabilidade resolvida Sincronismo de reset Margem de erro inicial de 40% Solução eliminou a margem de erro Sincronismo de reset Margem de erro de 50% Principais ainda não obtidos

Resultados Obtidos Área ocupada da FPGA (Sem codificação) Core Cells : 13264 of 38400 (35%) Block Rams : 18 of 60 (30%) Área ocupada da FPGA (RS+Convolucional) Core Cells : 21612 of 38400 (56%)

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Atividades

Atividades Atividades Extras: Concluir o fluxo de TC/TM Comunicação serial sincrona rs422 Solucionar problemas de instabilidade na FPGA Solucionar problemas de reset Validar o fluxo de TC/TM no hardware

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Considerações Finais Falhas são por natureza assíncronas Encontrar uma solução 100% efetiva é impossível Análise minuciosa dos pontos únicos de falha Determinar custo em termos de área, consumo e complexidade Verificar se a aplicação da técnica não apresenta novos pontos únicos de falhas Análise numérica é fundamental

Considerações Finais Procedimento de teste Plano de teste Documentação também é um item de confiabilidade dentro do projeto da UTMC

Aspectos de Confiabilidade na Seminário de Andamento - SA Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul PPGCC - Faculdade de Informática Aspectos de Confiabilidade na Implementação da Unidade de Telecomando e Telemetria para Plataformas Orbitais Luciano Rigelo Azevedo luciano.azevedo@pucrs.br Orientador: Prof. Eduardo Augusto Bezerra Seminário de Andamento - SA