05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Item Open Access Development of an error detection and recovery technique for a SPARC V8 processor in FPGA technology(2011) Boktor, AndrewField-Programmable Gate Arrays (FPGAs) found widespread use in many areas of applications, including safety and mission-critical systems. More and more manufacturers are choosing to implement designs on FPGAs. However, SRAM-based FPGAs are proven to be much more prone to Single Event Upsets (SEUs) compared to traditional Application-Specific Integrated Circuit (ASIC) designs. Moreover, SEU affects FPGAs in more severe ways compared to ASIC. Techniques to provide fault-tolerance for SRAM-based FPGAs become essential to maintain their advantages over other technologies. This thesis presents a fault-tolerance technique for pipeline architectures in FPGA technology. It provides fault-tolerance against SEUs in the design and is able to detect faults in the FPGA configuration. It also proposes an additional mechanism that detects all SEUs independent of their location. Pipeline operation can be resumed with known techniques of partial reconfiguration. Both designs occupy a much smaller area compared to known techniques such as TMR in combination with Scrubbing. They introduce no additional time penalty in case of fault-free operation. Fault injection and simulation were used to validate the design and calculate the fault coverage.Item Open Access Efficient programmable deterministic self-test(2010) Hakmi, Abdul-Wahid; Wunderlich, Hans-Joachim (Prof. Dr. habil.)In modern times, integrated circuits (ICs) are used in almost all electronic equipment ranging from household appliances to space shuttles and have revolutionized the world of electronics. Continuous reductions in the manufacturing costs as well as the size of this technology have allowed the development of very sophisticated ICs for common use. Post fabrication testing is necessary for each IC in order to ensure the quality and the safety of human life. The improvement in technology as well as economies of scale are continuously reducing fabrication costs. On the other hand, the increasing complexity of circuits is leading to higher test costs. These increasing test costs affect the market price of a chip. A test set is a set of binary patterns that are applied on the circuit inputs to detect the potential faults. Only a small number of bits in a test set are specified to 0 or 1 called care bits while other bits called don't care bits may assume random values. Test sets volume is characterized by the number of patterns as well as the size of each pattern in a test set. The increasing number of gates in nanometer ICs has resulted in an explosive increase in test sets volume. This increase in test sets volume is the major cause for rapidly growing test costs. An IC is tested either by using an automatic test equipment (ATE) or with the help of special hardware added on-chip that performs a self-test. These two approaches as well as their hybrid derivatives offer various trade-offs in test costs, quality, reliability and test time. In ATE testing high test sets volume leads to the requirement of expensive testers with large storage capacity while in self-test it results in significant hardware overhead. A test set is highly compressible due to the presence of a large number of don't care bits. The Test data compression techniques are used to limit test sets volume and hence the involved test cost. These compressed test sets are applicable to both ATE and Self-test methodologies. Compression of a test set depends on its statistical attributes such as the percentage and the distribution of care bits. The available test compression schemes assume that all the test sets have similar statistical attributes which is not always true. These attributes vary considerably among various test sets depending on the circuit structure and the targeted trade-offs. To get optimized reduction in test sets volume, test sets with different statistical attributes have to be addressed separately. In this work we analyze various test sets of industrial circuits and categorize them into three classes based on their statistical attributes. By examining each class differently, three novel compression methods and decompression architectures are proposed. The proposed test compression methods are equally adaptable in ATE testing and self-test. Three low cost programmable self-test schemes offering various trade-offs in testing are developed by applying these methods. The experimental results obtained with the test sets of large industrial circuits show that the proposed compression methods reduce storage requirements by more than half compared to the most efficient available methods. First time in literature the total number of bits in a compressed test set are lesser than the number of care bits in the original test set. The additional advantages of proposed methods include guaranteed encoding, significant reduction in decompression time overhead and programmability of decompression hardware.Item Open Access Embedding deterministic patterns in partial pseudo-exhaustive test(2013) Sannikova, AnastasiaThe topic of this thesis is related to testing of very large scale integration circuits. The thesis presents the idea of optimizing mixed-mode built-in self-test (BIST) scheme. Mixed-mode BIST consists of two phases. The first phase is pseudo-random testing or partial pseudo-exhaustive testing (P-PET). For the faults not detected by the first phase, deterministic test patterns are generated and applied in the second phase. Hence, the defect coverage of the first phase influences the number of patterns to be generated and stored. The advantages of P-PET in comparison with usual pseudo-random test are in obtaining higher fault coverage and reducing the number of deterministic patterns in the second phase of mixed-mode BIST. Test pattern generation for P-PET is achieved by selecting characteristic polynomials of multiple-polynomial linear feedback shift register (MP-LFSR). In this thesis, the mixed-mode BIST scheme with P-PET in the first phase is further improved in terms of the fault coverage of the first phase. This is achieved by optimization of polynomial selection of P-PET. In usual mixed-mode BIST, the set of undetected by the first phase faults is handled in the second phase by generating deterministic test patterns for them. The method in the thesis is based on consideration of these patterns during polynomial selection. In other words, we are embedding deterministic test patterns in P-PET. In order to solve the problem, the algorithm for the selection of characteristic polynomials covering the pre-generated patterns is developed. The advantages of the proposed approach in terms of the defect coverage and the number of faults left after the first phase are presented using contemporary industrial circuits. A comparison with usual pseudo-random testing is also performed. The results prove the benefits of P-PET with embedded test patterns in terms of the fault coverage, while maintaining comparable test length and time.Item Open Access Effiziente mehrwertige Logiksimulation verzögerungsbehafteter Schaltungen auf datenparallelen Architekturen(2012) Schöll, AlexanderDie Validierung von Schaltungsentwürfen nimmt bis zu 70 Prozent der Entwurfsdauer von hochintegrierten Schaltungen in Anspruch. Validierungsaufgaben wie Fehlersimulationen, Alterungsanalysen, Untersuchungen zum Energieverbrauch, Testmengencharakterisierungen sowie die Bewertung der Zuverlässigkeit erfordern hochperformante verzögerungsbehaftete Logiksimulationen. Die Verzögerungen innerhalb hochintegrierter Schaltungen sind von Variationen geprägt. Die Berücksichtigung von Variationen innerhalb der Validierungsaufgaben erhöht den Aufwand nochmals erheblich. In der vorliegenden Arbeit wird die Simulationsumgebung CWTSim vorgestellt, welche die Anforderungen der Validierungsaufgaben erfüllt. CWTSim verfolgt den Ansatz einer kontinuierlichen Simulation von Stimulifolgen auf Gatterebene, wodurch eine Simulation von potentiell unbegrenzten Stimulifolgen ermöglicht wird. CWTSim ist fähig, verschiedene Simulationsinstanzen parallel zu simulieren, in denen Variationen des Verzögerungsverhaltens abgebildet wurden. Hierzu wurde CWTSim parallelisiert und auf eine datenparallele Architektur abgebildet. Die benötigte Zeit, welche zur Simulation einer Vielzahl von Verzögerungsvariationen aufgewendet werden muss, wird durch CWTSim signifikant reduziert. CWTSim erreicht Beschleunigungen bis zu 168x im Vergleich zur sequentiellen Auswertung mit einem kommerziellen Simulationswerkzeug.Item Open Access Software-basierter Selbsttest eingebetteter Speicher(2015) Ebinger, FelixProzessoren werden häufig mittels softwarebasierter Selbsttests (SBST) getestet, da dieses Testverfahren mehrere Vorteile besitzt. Zunächst ist der Test zerstörungsfrei, und wird im funktionalen Betriebszustand des Prozessors durchgeführt. Es ist weder eine Veränderung des Hardwaredesigns erforderlich noch ist ein Übertesten möglich. Die Testmethode ist flexibel einsetzbar und kann sowohl beim Herstellungstest als auch im Feld genutzt werden. Speicher werden dagegen üblicherweise mittels eingebauter Selbsttests (engl. built-in self-test, BIST) getestet, da der Overhead durch die zusätzliche Testhardware nur gering ausfällt und diese Tests bei Speichern ohne Performance-Einbußen realisiert werden können. In dieser Arbeit wird die softwarebasierte Umsetzung von Speichertests untersucht um die Vorteile softwarebasierter Selbsttests auch bei Speichertests nutzen zu können. Dies stellt eine Herausforderung dar, da softwarebasiert nicht jede Operationsfolge mit frei wählbarem Zeitverhalten erzeugt werden kann. Insbesondere bei dynamischen Fehlern kann dies zu einer Verringerung der Testabdeckung führen. Hierzu wird ein Framework zur automatischen Umwandlung von Marchtestbeschreibungen in Testprogramme für den miniMIPS-Prozessor vorgestellt. Dabei steht besonders die Laufzeit des Testprogramms und die erreichte Testabdeckung im Vordergrund. Die Testabdeckung wird durch Simulation und Fehlerinjektion experimentell bestimmt. Es zeigt sich, dass die Fehlerabdeckung für die untersuchten statische und dynamische Fehlermodelle durch die vorgestellte Implementierung in Software nicht beeinträchtigt wird.Item Open Access Integration von algorithmenbasierter Fehlertoleranz in grundlegende Operationen der linearen Algebra auf GPGPUs(2014) Halder, SebastianDer Einsatz algorithmenbasierter Fehlertoleranz bietet eine Möglichkeit, auftretende Fehler bei Operationen der linearen Algebra zu erkennen, zu lokalisieren und zu korrigieren. Diese Operationen der linearen Algebra können durch den Einsatz hochoptimierter Bibliotheken mit einem großen Geschwindigkeitszuwachs gegenüber Mehrkernprozessoren auf GPGPUs ausgeführt werden. Die Integration der algorithmenbasierten Fehlertoleranz unter Verwendung dieser Bibliotheken für einige ausgewählte Operationen der linearen Algebra ist Kern dieser Arbeit. Bei der Überprüfung der Ergebnisse bezüglich aufgetretener Fehler müssen dabei Werte verglichen werden, die durch einen Rundungsfehler behaftet sind und somit nicht mit einem Test auf Gleichheit abgeprüft werden können. Deshalb werden Fehlerschwellwerte benötigt, bei deren Überschreitung ein Fehler erkannt und anschließend korrigiert werden kann. In dieser Arbeit wurden deterministische Methoden zur Fehlerschwellwertbestimmung untersucht und eine auf einer probabilistische Methode zur Abschätzung des Rundungsfehlers basierende Methode zur Fehlerschwellwertbestimmung angepasst und weiterentwickelt. Diese Methoden zur Fehlerschwellwertbestimmung wurden anhand experimenteller Untersuchungen bezüglich der Qualität im Sinne der Differenz zum gemessenen Rundungsfehler, der Fehlererkennungsraten bei Fehlerinjektion und der Performanz der Methoden bei Implementierung auf GPGPUs miteinander verglichen. Die probabilistische Methode zeichnet sich dabei durch einen näher am auftretenden Rundungsfehler liegenden Fehlerschwellwert aus, ist dadurch in der Lage einen größeren Anteil auftretender Fehler zu erkennen und zeigt eine hohe Performanz bei der Verwendung auf GPGPUs.Item Open Access Software-basierter Selbsttest von Peripherie-Komponenten(2015) Bäßler, JochenSoftware-basierte Selbsttest (SBST) Verfahren werden zumeist für das Testen von Mikroprozessoren eingesetzt, lassen sich jedoch auch auf Peripheriekomponenten anwenden. Der Vorteil von SBST, gegenüber Hardware-basierten Ansätzen besteht dabei im Verzicht auf spezielle Testhardware und Hochgeschwindigkeitstestgeräte und der Tatsache, dass Tests in der natürlichen Betriebsumgebung (engl. In-System) und bei normaler Betriebsfrequenz (engl. At-Speed) ablaufen. Peripheriekomponenten nehmen in vielen Systemen einen erheblichen Teil der Chipfläche ein, werden teilweise für sicherheitskritische Aufgaben eingesetzt und müssen folglich ausgiebig getestet werden. Um strukturelle SBST-Verfahren erfolgreich auf diesen Typ von Komponenten anzuwenden, müssen Maßnahmen getroffen werden um deren geringe Beobacht- und Kontrollierbarkeit zu erhöhen, da andernfalls die erzielte Fehlerabdeckung der Verfahren zu niedrig ausfällt. In dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Ansätze untersucht, um die strukturelle Fehlerabdeckung von SBST-Verfahren auf Kommunikationsperipheriekomponenten zu verbessern. Der erste Ansatz zielt auf eine verbesserte Kontrollierbarkeit der verwendeten Komponente ab. Dazu wird ein Loopback-basierter Mechanismus implementiert. Um darüber hinaus eine bessere Beobachtbarkeit zu erreichen wird als zweiter Ansatz der Zustand ausgewählter internen Signale dem System sichtbar gemacht. Eine beispielhafte Anwendung der vorgestellten Methode auf die I2C-Komponente eines RISC-Prozessors zeigt die Wirksamkeit der verwendeten Maßnahmen zur Verbesserung der strukturellen Fehlerabdeckung.Item Open Access Online self-test wrapper for runtime-reconfigurable systems(2013) Wang, JilingReconfigurable Systems-on-a-Chip (SoC) architectures consist of microprocessors and Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). In order to implement runtime reconfigurable systems, these SoC devices combine the ease of programmability and the flexibility that FPGAs provide. One representative of these is the new Xilinx Zynq-7000 Extensible Processing Platform (EPP), which integrates a dual-core ARM Cortex-A9 based Processing System (PS) and Programmable Logic (PL) in a single device. After power on, the PS is booted and the PL can subsequently be configured and reconfigured by the PS. Recent FPGA technologies incorporate the dynamic Partial Reconfiguration (PR) feature. PR allows new functionality to be programmed online into specific regions of the FPGA while the performance and functionality of the remaining logic is preserved. This on-the-fly reconfiguration characteristic enables designers to time-multiplex portions of hardware dynamically, load functions into the FPGA on an as-needed basis. The configuration access port on the FPGA can be used to load the configuration data from memory to the reconfigurable block, which enables the user to reconfigure the FPGA online and test runtime systems. Manufactured in the advanced 28 nm technologies, the modern generations of FPGAs are increasingly prone to latent defects and aging-related failure mechanisms. To detect faults contained in the reconfigurable gate arrays, dedicated on and off-line test methods can be employed to test the device in the field. Adaptive systems require that the fault is detected and localized, so that the faulty logic unit will not be used in future reconfiguration steps. This thesis presents the development and evaluation of a self-test wrapper for the reconfigurable parts in such hybrid SoCs. It comprises the implementation of Test Configurations (TCs) of reconfigurable components as well as the generation and application of appropriate test stimuli and response analysis. The self-test wrapper is successfully implemented and is fully compatible with the AMBA protocols. The TC implementation is based on an existing Java framework for Xilinx Virtex-5 FPGA, and extended to the Zynq-7000 EPP family. These TCs are successfully redesigned to have a full logic coverage of FPGA structures. Furthermore, the array-based testing method is adopted and the tests can be applied to any part of the reconfigurable fabric. A complete software project has been developed and built to allow the reconfiguration process to be triggered by the ARM microprocessor. Functional test of the reconfigurable architecture, online self-test execution and retrieval of results are under the control of the embedded processor. Implementation results and analysis demonstrate that TCs are successfully synthesized and can be dynamically reconfigured into the area under test, and subsequent tests can be performed accordingly.Item Open Access Modeling of a multi-core microblaze system at RTL and TLM abstraction levels in systemC(2013) Eissa, KarimTransaction Level Modeling (TLM) has recently become a popular approach for modeling contemporary Systems-on-Chip (SoCs) on a higher abstraction level than Register Transfer Level (RTL). In this thesis a multi-core system based on the Xilinx MicroBlaze micro-processor is modeled at RTL and TLM abstraction levels in SystemC. Both implemented models have cycle accurate timing, and are verified against the reference VHDL model using a VHDL / SystemC mixed-language simulation with ModelSim. Finally, performance measurements are carried out to evaluate simulation speedup at the transaction level. Modeling of the MicroBlaze processor is based on a MicroBlaze Instruction Set Simulator (ISS) from SoCLib. A wrapper is therefore implemented to provide communication interfaces between the processor and the rest of the system, as well as control the timing of the ISS operation to reach cycle accurate models. Furthermore, a local memory module based on Block Random Access Memories (BRAMs) is modeled to simulate a complete system consisting of a processor and a local memory.