Tecniche per il progetto di sistemi elettronici tolleranti ai guasti

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1 Tecniche per il progetto di sistemi elettronici tolleranti ai guasti Fulvio Corno, Maurizio Rebaudengo, Matteo Sonza Reorda Politecnico di Torino Dipartimento di Automatica e Informatica Le tecniche di ridondanza Introduzione Ridondanza nell hardware Ridondanza nell informazione Ridondanza nel tempo Ridondanza nel software Obiettivo Le forme di ridondanza viste finora comportano un (forte) overhead di area Molte applicazioni moderne (wireless, ) hanno stringenti vincoli di spazio, peso, consumo di potenza e costo Tali applicazioni risultano spesso sovradimensionate in quanto a capacità di elaborazione Metodologia La ridondanza nel tempo mira invece ad ottenere la tolleranza ai guasti mediante un overhead nelle prestazioni Si mira a rilevare la presenza di guasti eseguendo un numero di istruzioni maggiori del minimo indispensabile. Principio base Ripetizione delle elaborazioni in modo tale da poter rilevare i guasti In generale, si ripete un calcolo più volte e se ne confrontano i risultati. Architetture alternative (I) Backward recovery Se viene rilevato un errore, l elaborazione riprende da un istante di tempo precedente I O O F Error 5 6

2 Architetture alternative (II) Forward recovery Se viene rilevato un errore, ripete l elaborazione usando risorse hw/sw diverse I O O F Error F O Rilevazione dei guasti temporanei Ripetizione e confronto In presenza di errori, si ripete più volte l elaborazione finché non si ottiene un risultato certo e ripetibile Adatto per guasti di limitata durata nel tempo Adatto per errori nei mezzi trasmissivi. 7 8 Problemi aperti Non vengono rilevati guasti di tipo permanente È necessario garantire che, ad ogni ripetizione dell elaborazione, i dati di partenza siano gli stessi, anche in presenza di guasti È necessario definire la granularità dell elaborazione. Rilevazione dei guasti permanenti La ridondanza nel tempo, accompagnata da moderate risorse hardware aggiuntive, è anche adatta a rilevare alcune classi di guasti permanenti Il principio adottato è la ripetizione dell elaborazione in due forme diverse, che non condividano le stesse risorse ed operino su versioni diverse dei dati Schema concettuale Approccio (I) Inizialmente si esegue l operazione sugli operandi, e si memorizza il risultato in un registro Gli operandi vengono opportunamente codificati L operazione viene ripetuta sugli operandi codificati. 11 1

3 Approccio (II) Il risultato viene decodificato e confrontato con il risultato iniziale La scelta delle funzioni di codifica e decodifica determina la tipologia dei guasti hardware rilevabili Le funzioni più usate sono la complementazione logica e lo shift aritmetico. Complementazione logica Nei canali di trasmissione: Si trasmette X al tempo t, e si trasmette not(x) al tempo t+ Il ricevitore può rilevare guasti stuck-at Nei circuiti combinatori: Ciascun input alterna le forme affermata e negata (alternating logic) Applicabile a circuiti auto-duali. 1 1 Self Dual Una funzione logica f(x) è detta auto-duale (self-dual) se: f SD (X) = not( f SD ( not X ) ) Proprietà: ciascun circuito combinatorio con n ingressi può essere trasformato in circuito auto-duale di n+1 ingressi f D (X) = not f( not X ): funzione duale f SD (X, c) = c f(x) + not c f D (X) Shift aritmetico RESO: REcomputing with Shifted Operands Permette la rilevazione dei guasti nelle unità aritmetico logiche (ALU) La funzione di codifica utilizzata è uno shift a sinistra, la decodifica è uno shift a destra Si assume che la ALU abbia un architettura bit-sliced Lo shift può essere aritmetico o logico RESO Problemi aperti X Y ALU Register Z checker error Non utilizzabile in tutte le applicazioni Dipende dal tempo di elaborazione a disposizione I codici dipendono dalle operazioni svolte Ha un overhead di area non nullo 17 18

4 Correzione degli errori La ridondanza nel tempo può anche permettere la correzione degli errori dovuti a guasti temporanei e a guasti permanenti Tali tecniche prendono il nome di recomputation Per guasti temporanei, è sufficiente attendere il termine dell effetto del guasto e ripetere l operazione Recomputation per guasti permanenti (I) Non è sempre possibile Operazioni logiche Ripetere l operazione volte (normale, con shift, con shift di bit) Dal confronto dei risultati, si può dedurre il bit sbagliato e correggerlo 19 0 Architetture Backward Recovery (I) Definire dei Recovery Point (detti anche Retry Point o Rollback Point) Salvare lo stato del sistema in corrispondenza dei Recovery Point Controllare l uscita (Acceptance Test) Il caso di errore, tornare all ultimo Recovery Point e riprendere l elaborazione 1 Architetture Backward Recovery (II) Parametri Save/Restore Recovery Cache (I) Recovery Cache (II) Il blocco Save/Restore deve gestire il ripristino dei valori precedenti del contesto del sistema: I valori di variabili, registri dati, stack pointer, instruction pointer delle procedure sw Lo stato interno dei componenti hw È possibile implementare una contenente copia del contesto. Cache 1 Memoria principale 1. Salva il contesto in. Scrivi normalmente in memoria. Controlla errori. Riprendi la copia in

5 Recovery Cache (III) Cache 1 Memoria principale 1. Salva il contesto in. Scrivi normalmente in. Controlla errori. Se, riparti con i dati in memoria. Se, copia dalla 5 Confronto La prima tecnica è preferibile se non ci sono errori, in quanto non deve ricopiare la nella memoria In caso di errori, la seconda tecnica è più efficiente, in quanto non viene mai corrotto il contenuto della memoria principale Dipende dalla probabilità di errore e dalla velocità di elaborazione 6 Recovery Point Quando inserire i recovery point? Salvataggio periodico ( snapshot ) Facilmente automatizzabile Spreco di spazio/tempo Rischio di lunga latenza In corrispondenza di punti importanti dell elaborazione Meno dati da salvare Richiede intervento del programmatore Architetture Forward Recovery Riprendere l esecuzione in una nuova condizione del sistema Recovery blocks: porta il sistema in un nuovo stato, poi riprende dagli ingressi precedenti Termination mode: parte dalle uscite correnti (fino all errore escluso), poi completa con un altro blocco (es.: gestione delle eccezioni, codici di correzione) 7 8 Recovery Block Termination Mode Ingressi Ingressi Procedura Q Procedura Q Error! 9 0