Просмотр исходного текста страницы Метод инжектирования ошибок для оценки надежностных характеристик комбинационных схем

== Введение ==

Суть метода заключается в том, что в процессе моделирования исследуемой логической схемы в один или несколько узлов схемы вносится ошибка. Необходимо определить: произошло ли искажение результата работы схемы, и была ли ошибка обнаружена. 

Предлагаемый подход инжектирования ошибок при логическом моделировании подразумевает модификацию схемы таким образом, чтобы появилась возможность вносить ошибки в любой узел схемы. Для этого после каждого вентиля в схему необходимо добавить дополнительный элемент, называемый инжектором. Процесс модификации схемы на примере логической функции XOR в базисе И-ИЛИ-НЕ представлен на рисунке:

[[Изображение:Fault injection.JPG]]

Первый вход инжектора соединяется с выходом вентиля, выход инжектора подается в соответствии с начальной коммутацией схемы. Второй входной сигнал инжектора определяется как входной сигнал основной схемы и интерпретируется как дополнительный вход. Логическая единица на любом дополнительном входе – означает ошибку в соответствующем ей вентиле.
Инжектор выполняет бинарную логическую операцию, формируемую в зависимости от типа моделируемой ошибки.

== Типы моделируемых ошибок ==

Чаще всего в литературе, связанной с помехоустойчивостью логических схем, рассматриваются только ошибки, связанные с инверсией сигнала. Однако, часто на практике приходится встречаться с ошибками, обусловленными технологическими несовершенствами микроэлектронных изделий, таких как замыкания. В этой работе мы будем рассматривать три основных типа ошибок:

•	Замыкание на питание (stuck at VCC);

•	Замыкание на землю (stuck on ground);

•	Инверсия сигнала.

Структура модифицированной схемы, в зависимости от типа ошибок, существенно изменяться не будет, поменяются только двухвходовые логические элементы эмулирующие ошибку в вентиле. Типы элементов с таблицами истинности для каждого типа ошибки представлены в таблице:

<table cellpadding=5 cellspacing=0 border=1><tr><td><p>Тип ошибки</p>
</td>
<td><p>Таблица истинности для инжектора</p>
</td>
<td><p>Название булевой функции инжектора</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>Замыкание на питание (stuck at VCC);</p>
</td>
<td><table border="1"><tr><td><p>from_gate</p>
</td>
<td><p>error</p>
</td>
<td><p>out</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>0</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>0</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>1</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>1</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
</tr>
</table>
</td>
<td><p>OR, Логическое ИЛИ</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>Замыкание на землю (stuck on ground);</p>
</td>
<td><table border="1"><tr><td><p>from_gate</p>
</td>
<td><p>error</p>
</td>
<td><p>out</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>0</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>0</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>1</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>1</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
</tr>
</table>
</td>
<td><p>Инверсия прямой импликации (больше, детектор 4</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>Инверсия сигнала</p>
</td>
<td><table border="1"><tr><td><p>from_gate</p>
</td>
<td><p>error</p>
</td>
<td><p>out</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>0</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>0</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>1</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>1</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
</tr>
</table>
</td>
<td><p>XOR, Сумма по модулю 2, Исключающее ИЛИ</p>
</td>
</tr>
</table>

Метод статистического внесения сбоев заключается в использовании метода Монте-Карло [8], что подразумевает проведение многократных экспериментов с различными входными данными с последующей оценкой необходимых параметров отказоустойчивости.

== Модели возникновения ошибок ==
В общем виде, схему для оценки помехоустойчивости можно представить в следующем виде:

[[Изображение:Fault injection str.JPG]]

Пусть входы для моделирования ошибок формируют вектор ошибки:
<math>\varepsilon =(e_{1}, e_{2}, e_{3}, ..., e_{n})</math> , где <math>e_{i}</math> – <math>i</math>-ый вход. При <math>e_{i}=1</math>  в схему внедряется ошибка в  <math>i</math>-ый вентиль. При <math>e_{i}=0</math>  - ошибки нет.

=== Шум окружающей среды ===

При реализации этой стратегии внесения ошибок будем рассматривать ситуацию, когда каждый вентиль имеет некоторую вероятность сбоя. Для удобства эта вероятность фиксируется для всех вентилей схемы, а ошибки происходят независимо.
Таким образом, введем некоторый вещественный параметр <math>\gamma \in [0,1]</math>, который будет являться характеристикой шума окружающей среды. Тогда элемент <math>e_{i}</math>  при каждой подаче входных воздействий с вероятностью <math>\gamma</math>  может обратиться в единицу. При таком подходе количество ошибок в схеме, при одной подаче данных, лежит в диапазоне от нуля до общего числа элементов схемы <math>n</math>. Случаи с нулевым вектором ошибки при подсчетах характеристик помехоустойчивости схемы не рассматриваются. 

=== Кратные ошибки ===

Фиксируется параметр <math>k \in \{0,1,2,...,n\}</math> – кратность ошибки. Вектор <math>\varepsilon </math>  при каждой подаче входных воздействий генерируется случайным образом так, чтобы вес его всегда был равен  <math>k</math>. Пример векторов для  <math>k=2</math>:
 
<math>(0, 1, 0, 0, 1, 0, 0)</math>

<math>(1, 0, 0, 0, 0, 0, 1)</math>

<math>(0, 0, 0, 1, 1, 0, 0)</math>

<math>(0, 0, 1, 0, 0, 1, 0)</math> 


=== Стресс-тесты для определенных вентилей ===

Кроме нахождения обобщенных характеристик отказоустойчивости схемы, метод инжектирования ошибок может быть полезен для выявления наиболее уязвимых участков схемы с точки зрения влияния ошибки в конкретном вентиле на общую работоспособность. Эмпирически было установлено существенное различие в уязвимости для разных участков типовых схем. Этот факт привод к идее разработки методов селективной избыточности комбинационных схем. Эффективным методом определения степени уязвимости участка схемы может служить метод инжектирования ошибок с использованием стратегии стресс-теста:
- Фиксируется элемент <math>e_{i}</math>, который на всем протяжении тестирования будет равен единице. Остальные элементы вектора  <math>\varepsilon </math>  обращены в ноль.
- Определяется влияние конкретного вентиля (группы вентилей) на корректность работы всей схемы в условиях помех.
Селективное добавление избыточности для наиболее уязвимых участков схемы позволит достичь разумного компромисса в надежности функционирования при незначительном увеличении площади микросхемы.

== Характеристики помехозащищенности схемы == 

Для оценки архитектурной устойчивости к сбоям и отказам, а также для оценки эффективности методов исправления ошибок в процессе моделирования необходимо подсчитывать следующие параметры:

- общее количество экспериментов;

- количество корректных значений выхода схемы;

- общее количество внедренных ошибок.

После проведения серии экспериментов в количестве, достаточном для получения корректной статистической выборки, необходимо вычислить характеристики, с помощью которых можно эффективно сравнивать между собой различные архитектуры комбинационных схем с точки зрения их помехозащищенности.

Для оценки отказоустойчивости схем с точки зрения исправления ошибок будем рассматривать два параметра. Первый параметр характеризует архитектурную устойчивость к ошибкам и определяется как отношение числа некорректных результатов работы схемы к общему числу инжектированных ошибок:

<math>T_{o}=\frac{I_{cr}}{T_{er}}</math>

где <math>I_{cr}</math> - количество экспериментов с несовпадением результата с эталонным, <math>T_{er}</math>  - общее число внедренных ошибок. По сути, этот параметр определяет вероятность того, что внедренная ошибка в схему приведет к искажению работы всей схемы.
Второй параметр определяет общую устойчивость схемы к ошибкам и вычисляется как отношение числа корректных результатов работы схемы к общему числу тестов:

<math>A=\frac{C_{r}}{T_{r}}</math>

В случае комбинационных схем, обнаруживающих ошибки, мы располагаем не только эталонным значением выхода схемы, но и эталонным значением флага ошибки на заданных входных данных. Таким образом, в процессе моделирования необходимо подсчитывать число появлений для событий, описанных в таблице:

<table cellpadding=5 cellspacing=0 border=1><tr><td><p>Истинность результата</p>
<p>(0 – результат верный</p>
<p>1 – результат не верный)</p>
</td>
<td><p>Флаг ошибки</p>
</td>
<td><p>Событие</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>0</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
<td><p>Ошибка не «проявилась»</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>0</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
<td><p>«Ложная тревога»</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>1</p>
</td>
<td><p>0</p>
</td>
<td><p>Ошибка пропущена</p>
</td>
</tr>
<tr><td><p>1</p>
</td>
<td><p>1</p>
</td>
<td><p>Ошибка обнаружена</p>
</td>
</tr>
</table>

Следует отметить, что при каждой подаче данных в процессе моделирования, в схему вносится, по меньшей мере, одна ошибка. В этом контексте первую строку таблицы 3 следует понимать, как некоторую способность архитектуры маскировать ошибки, то есть ошибка, возникшая на одном из вентилей схемы, не доходит до выходов из-за особенностей её архитектуры.
Эти четыре варианта составляют полную группу событий, следовательно, характеристиками помехоустойчивости схемы будут являться вероятности наступления каждого из событий.