Havacılık uygulamaları için kısmi dinamik donanım şekillendirme ve üçlü modül yedekleme kullanılarak hata toleranslı FPGA tasarımı

Abstract

Bu tez çalışmasında, havacılık uygulamalarında radyasyon kaynaklı tek bit hatalarının bulunması, düzeltilmesi ve hatanın etkisinin maskelenmesi için yöntemler önerilmiştir. Hatanın bulunması için konfigürasyon belleğinin sürekli olarak tasarımın kendi tarafından okunması yöntemi kullanılmıştır. Hatanın düzeltilmesi için parçalı dinamik donanım şekillendirme yöntemi kullanılmıştır. Hatalı olan konfigürasyon belleği çerçevesi yeniden şekillendirilerek düzeltilmiştir. Hatanın maskelenmesi için üçlü modül yedekleme yöntemi kullanılmıştır. Hata düzeltildikten sonra sadece yapısal bütünlüğün değil, durum bütünlüğünün de korunması sağlanmıştır. Kurulan mimari ARINC-429 protokolü üzerinde, hata yerleştirilerek test edilmiştir. Elde edilen sonuçlarda en kötü durumda yaklaşık 67ms içerisinde oluşan tek bit hatasının düzeltildiği görülmüştür. Düzeltilemeyecek kritik hatalar yaratılamamış fakat istatiksel hesabı yapılmıştır. Önerilen sistemin kullanılmadığı duruma göre hata ihtimalinin yaklaşık 200 bin kat daha az olduğu görülmüştür. Yapılan hata yerleştirme testinde üçlü yedeklenmiş ARINC-429 modülleri üzerinde oluşan hataların hepsi maskelenebilmiştir. Maskelenemeyecek hataların yaratılması sağlanamamış fakat istatistiksel hesabı yapılmıştır. Üçlü modül yedekleme yönteminin yaklaşık 3,3 kat daha fazla FPGA alanı kullandığı ölçülmüştür. Sistemde hata bulma ve düzeltme için kullanılan devrenin FPGA alanının yaklaşık iki binde biri olduğu ölçülmüştür. Önerilen sistemin tek bit hatalarına karşı hata toleranslı yapıda olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Hata Toleranslı FPGA Tasarımı, Parçalı Dinamik Donanım Şekillendirme, Üçlü Modül Yedekleme, Tek Bit Hatası, Üçlü Modül Senkronizasyonu

In this thesis, methods for detecting, correcting, and masking the effect of radiation-induced single-bit errors in aerospace applications are proposed. In order to detect the error, the method of continuous reading of the configuration memory by the design itself was used. Partial dynamic reconfiguration is used to correct the error. The incorrect configuration memory frame has been corrected by reconfiguration. The triple module redundancy method is used to mask the error. After correcting the error, not only the structural integrity, but also the state integrity is maintained. The architecture was tested by injecting an error on ARINC-429 protocol. The results showed that in the worst case, the single bit upset is corrected within approximately 67ms. Critical errors that could not be corrected could not be created, but statistical calculations are made. It is seen that the probability of error is approximately 200 thousand times less than when the proposed system is not used. In the error injection test, all errors occurred on triple redundant ARINC-429 modules could be masked. It was not possible to create errors that could not be masked, but statistical calculations were made. It was measured that the triple module redundancy method uses approximately 3.3 times more FPGA space. It was measured that area of the circuit used for error detection and correction in the system is approximately one in two thousand of the whole FPGA area. It is seen that the proposed system is fault tolerant against single bit errors.Keywords: Fault Tolerant FPGA Design, Partial Dynamic Reconfiguration, Triple Module Redundancy, Single Bit Event Upset, Triple Module Synchronization