Concepção e validação de arquitetura robusta baseada em soft processors para uso em computadores de bordo de satélites artificiais

Abstract

A flexibilidade introduzida pela utilização de FPGAs (Field Programmable Gate Array) SRAM comerciais em aplicações embarcadas, faz com que esta tecnologia se torne uma alternativa atraente para aplicações militares e espaciais. No presente trabalho, foi desenvolvido um Computador de Bordo utilizando soft processor embarcado em um FPGA do tipo SRAM. O Computador de Bordo é baseado em requisitos funcionais especificados pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) para o Computador de Bordo a ser utilizado em suas futuras missões. Módulos de software e hardware foram implementados visando executar as principais funcionalidades de um Computador de Bordo. No entanto, os avanços oriundos de tecnologias nanométricas trazem uma maior vulnerabilidade dos componentes eletrônicos a efeitos de radiação. Em aplicações críticas é importante que técnicas de tolerância a falhas sejam utilizadas para aumentar o grau de confiabilidade das aplicações. Com o intuito de mitigar falhas causadas pela radiação a qual computadores de bordo são expostos no espaço, uma técnica de tolerância a falhas não intrusiva foi desenvolvida. A técnica proposta visa aplicar mecanismos de detecção de falhas utilizando um monitor de barramento para comparar os dados de saída de um soft processor principal com seu módulo redundante. Caso os dados sejam diferentes, um sinal de erro é gerado, iniciando a estratégia de tolerância a falhas. A técnica proposta se mostrou eficiente quando comparada a técnicas do estado da arte como a Redundância Tripla (Triple Modular Redundancy, TMR) e Tolerância a Falhas em Hardware Implementadas em Software (Software Implemented Hardware Fault Tolerance, SIHFT) para identificação de falhas simples em tempo de execução com menor ocupação de área e sem alterar o desempenho da aplicação.<br>

Abstract : The flexibility introduced by Commercial Off The Shelf (COTS) SRAM based FPGAs in on-board system designs make them an attractive option for military and aerospace applications. However, the advances towards the nanometer technology come together with a higher vulnerability of integrated circuits to radiation perturbations. In mission critical applications it is important to improve the reliability of applications by using fault-tolerance techniques. In this work, the concept of an On-Board Computer (OBC) system aiming a soft-processor embedded on a SRAM based FPGA is proposed. The OBC comply with functional requirements of the Brazilian Institute of Space Research (INPE) for the OBC that will be employed in future missions. Modules of software and hardware were implemented in order to execute the main capabilities of the OBC. In order to mitigate the faults caused by radiation on the space environment, a non-intrusive fault tolerance technique has been developed. The proposed technique targets soft processors (e.g. LEON3), and its detection mechanism uses a Bus Monitor to compare output data of a main soft-processor with its redundant module. In case of a mismatch, an error signal is activated, triggering the proposed fault tolerance strategy. This approach shows to be more efficient than the state-of-the-art Triple Modular Redundancy (TMR) and Software Implemented Hardware Fault Tolerance (SIHFT) approaches in order to detect and to correct faults on the fly with low area overhead and with no major performance penalties.