Ψηφιακά κυκλώματα και συστήματα για εφαρμογές κρίσιμης ασφάλειας

Abstract

This Ph.D. thesis was prepared in the Intelligent Systems Laboratory of the Department of Computer Science and Biomedical Informatics of the University of Thessaly, the subject of which is designing circuits that are characterized by the property of self-test on low power dissipation. The main goal of this thesis is the development of the technical design of circuits ideal for usage on portable devices and which ensure operational safety.In recent years, the progress of electronic systems has been impressive. Computers have become “integrated or embedded” in every section of society and in traditional control systems, hence the term “embedded system”. The most visible problems that have arisen in the system security section, suggest that safety constitutes a significant challenge just as significant as constant improved circuit development. In this thesis, design solutions are suggested regarding safety issues for traditional applications of vital importance, where the results of failure have serious consequences. Many more systems than one might expect should be considered critical to safety and this number is constantly increasing. As technology advances, entirely new ways of system failure evolve, so designers must take the appropriate countermeasures, choosing new adaptive techniques in some cases.Complex modern systems increase the number of interacting safety-critical circuits that exist in a single application and force necessitate resource sharing in order to reduce power. This need has eliminated an important architectural element, the natural separation of circuits, which gives confidence in proper operation, knowing that the failure of one circuit cannot affect another. With this separation, safety analysis techniques become simpler. In complex systems, multiple functions are housed on single circuits to simplify construction and reduce size and power requirements. Techniques are required that provide high levels of assurance of a systems successful operation without interference and interaction between its parts. Safety is becoming an increasingly important issue in safety-critical systems, and comprehensive verification approaches are deemed necessary for high performanceIn this thesis, basic element design is carried out in order to develop optimal enumerators such as counters to achieve high speed. In the case of counters especially, there is a lack of fully self-checking structures which are clocked at high frequencies. At the end of this thesis, a method is highlighted that can be followed for reliability and power dissipation to coexist as design factors of a system. The research process followed and presented focused on the design of concurrent testing circuits with normal operation with the property of built-in self-test (BIST).

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ευφυών Συστημάτων του Τμήματος Πληροφορικής με εφαρμογές στην Βιοϊατρική του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας. Το αντικείμενό της αναφέρεται στον σχεδιασμό κυκλωμάτων που χαρακτηρίζονται από την ιδιότητα του αυτοελέγχου με τη χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Ο σκοπός αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη τεχνικών σχεδιασμού κυκλωμάτων ιδανικών για τη χρήση τους σε φορητές συσκευές για εφαρμογές απαιτητικές ως προς την ασφάλεια λειτουργίας τους, όπως φορητές ιατρικές συσκευές.Τα τελευταία χρόνια, η πρόοδος των ηλεκτρονικών συστημάτων είναι εντυπωσιακή στην κοινωνία μας. Οι υπολογιστικές μονάδες είναι “ενσωματωμένες" σε όλους τους τομείς της κοινωνίας καθώς και σε παραδοσιακά συστήματα ελέγχου συστημάτων οπότε εισάγεται ο όρος του ενσωματωμένου συστήματος. Τα πολύ ορατά προβλήματα που έχουν προκύψει στον τομέα της ασφάλειας των συστημάτων υποδηλώνουν ότι η ασφάλεια αποτελεί επίσης σημαντική πρόκληση ίδιας αξίας με την πρόκληση ανάπτυξης συνεχώς βελτιωμένων κυκλωμάτων. Στην διατριβή αυτή προτείνονται σχεδιαστικές λύσεις σε θέματα ασφάλειας για παραδοσιακές εφαρμογές κρίσιμης σημασίας, όπου το αποτέλεσμα μιας αποτυχίας έχει σοβαρές συνέπειες. Πολλά περισσότερα συστήματα από όσα θα περίμενε κανείς πρέπει να θεωρηθούν κρίσιμα για την ασφάλεια και ο αριθμός αυξάνεται συνεχώς. Με την πρόοδο της τεχνολογίας, εξελίσσονται εντελώς νέοι τρόποι αποτυχίας ενός συστήματος, οπότε πρέπει οι σχεδιαστές να πάρουν και τα αντίστοιχα αντίμετρα, επιλέγοντας σε ορισμένες περιπτώσεις νέες προσαρμοστικές τεχνικές.Τα πολύπλοκα σύγχρονα συστήματα αυξάνουν τον αριθμό των αλληλεπιδρώντων κυκλωμάτων κρίσιμης ασφάλειας που υπάρχουν σε μία μόνο εφαρμογή και αναγκάζει την κοινή χρήση πόρων μεταξύ τους για να μειωθούν οι απαιτήσεις ισχύος και περιοχής ολοκλήρωσης. Η ανάγκη αυτή έχει εξαλείψει ένα σημαντικό αρχιτεκτονικό στοιχείο, τον φυσικό διαχωρισμό των κυκλωμάτων, το οποίο δίνει εμπιστοσύνη στη σωστή λειτουργία, γνωρίζοντας ότι η αποτυχία ενός κυκλώματος δεν μπορεί να επηρεάσει ένα άλλο. Με αυτό το διαχωρισμό, οι τεχνικές ανάλυσης για την ασφάλεια γίνονται πιο απλές. Στα πολύπλοκα συστήματα, πολλαπλές λειτουργίες φιλοξενούνται από ενιαία κυκλώματα για να απλοποιηθεί η κατασκευή και να μειωθούν οι απαιτήσεις μεγέθους και ισχύος. Απαιτούνται τεχνικές που παρέχουν υψηλά επίπεδα διασφάλισης της επιτυχής λειτουργίας ενός συστήματος χωρίς παρεμβολές και αλληλεπιδράσεις μεταξύ των τμημάτων του. Η ασφάλεια γίνεται όλο και πιο σημαντικό θέμα στον τομέα των συστημάτων κρίσιμης ασφάλειας και κρίνονται απαραίτητες ολοκληρωμένες προσεγγίσεις επαλήθευσης για υψηλή απόδοση.Στη διατριβή αυτή πραγματοποιείται ο σχεδιασμό βασικών στοιχείων, ώστε να αναπτυχθούν βέλτιστα κυκλώματα, όπως απαριθμητές ώστε να επιτυγχάνουν υψηλή ταχύτητα. Ειδικά στην περίπτωση των απαριθμητών, υπάρχει έλλειψη πλήρως αυτοεξεταζόμενων δομών οι οποίες να χρονίζονται σε υψηλές συχνότητες. Στο τέλος της διατριβής αυτής αναδεικνύεται μια μέθοδος που μπορεί να ακολουθηθεί για να συνυπάρξουν η αξιοπιστία και η κατανάλωση ενέργειας ως παράγοντες σχεδίασης ενός συστήματος. Η ερευνητική διαδικασία που ακολουθήθηκε και παρουσιάζεται, ασχολείται με το σχεδιασμό κυκλωμάτων ταυτόχρονου ελέγχου με την κανονική λειτουργία (Concurrent Testing) με την ιδιότητα του ενσωματωμένου αυτοελέγχου (BIST, Built-In Self-Test).