Felipe Augusto da Silva, Eng. Orientador : Prof. Eduardo Augusto Bezerra , Dr. Defesa de Mestrado

1. CONCEPÇÃO E VALIDAÇÃO DE ARQUITETURA ROBUSTA BASEADA EM SOFT PROCESSORS PARA USO EM COMPUTADORES DE BORDO DE SATÉLITES ARTIFICIAIS Felipe Augusto da Silva, Eng. Orientador: Prof. Eduardo Augusto Bezerra, Dr. Defesa de Mestrado Florianopolis, 27 de Setembro de 2013.

2. Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Melhoria da Confiabilidade Simulação e Resultados Conclusões e Trabalhos Futuros

3. Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Melhoria da Confiabilidade Simulação e Resultados Conclusões e Trabalhos Futuros

4. Introdução • Motivação • Desenvolvimento da tecnologia espacial • Polo Espacial do Sul do País • Microssatélite Militar Multimissão (MMM-1) • Posição do Brasil no cenário mundial

5. Introdução 2015 2020 2030 CBERS-5B CBERS-5A CBERS-3 CBERS-4 CBERS-6A CBERS-6B MAPSAR-2 GPM Lattes-1 Amazonia-1 Amazonia-3 MAPSAR Amazonia-2 Lattes-2

6. Introdução • Objetivos • Concepção de uma arquitetura de Computador de Bordo confiável para aplicações espaciais • Utilização de soft processors embarcados em FPGA • Melhoria nos aspectos de confiabilidade

7. Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Melhoria da Confiabilidade Simulação e Resultados Conclusões e Trabalhos Futuros

8. Trabalhos Relacionados • Análise de Arquiteturas de Computadores de Bordo para Missões Espaciais de Longa Duração (Pessotta, 1999) • STAR (Self-Test andReparing Computer) • Voyager • Galileo • PISB (Padrão INPE de Supervisão de Bordo) • SCD-1 (Satélite de Coleta de Dados) • CBERS (China Brazil Earth ResourceSatellites) • SACI (Satélite de Aplicações Científicas)

9. Trabalhos Relacionados Chipsat – Centro Espacial Surrey(Vladimirova & Curiel, 2004)

10. Trabalhos Relacionados • Checker Design for On-line Testing of Xilinx FPGA Communication Protocols (Straka, Tobola, & Kotasek, 2007) • Conceito de On-line Checkers • Utilização de linguagens de verificação formal para geração de um bloco em VHDL com características idênticas ao circuito em teste

11. Trabalhos Relacionados Digital Systems Architectures Based on On-Line Checkers (Straka, Kotasek, & Winter, 2008)

12. Trabalhos Relacionados TMR Duplicationwith Checker Modern Fault Tolerant Architectures Based on Partial Dynamic Reconfiguration in FPGAs (Straka, Kastil, & Kotasek, 2010)

13. Trabalhos Relacionados Modern Fault Tolerant Architectures Based on Partial Dynamic Reconfiguration in FPGAs (Straka, Kastil, & Kotasek, 2010)

14. Trabalhos Relacionados • Dynamic Partial reconfigurable embedded system to achieve Hardware flexibility using 8051 based RTOS on Xilinx FPGA (B. zalke & Pandey, 2009) • Modelo em VHDL do microcontrolador 8051 embarcado em um FPGA • Identificação de falhas por controle de fluxo • Injeção de falhas para avaliação da técnica • Dependente do programa sendo executado

15. Trabalhos Relacionados A New Hybrid Fault Detection Technique for Systems-on-a-Chip (Bernardi, et al., 2006)

16. Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Melhoria da Confiabilidade Simulação e Resultados Conclusões e Trabalhos Futuros

17. Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada

18. Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada • Total Ionizing Dose (TiD) • Radiação acumulada em transistores MOSFET

19. Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada • Total Ionizing Dose (TiD) • Comparação entre os transistores

20. Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada • Single EventEffects (SEE) • Single EventLatchup (SEL) • Curto Circuito entre a entrada e a saída de um componente • Single EventTransients (SET) • Corrente transiente que pode alterar momentaneamente o valor de um componente (soft error) • Single EventUpset (SEU) • Eventos em que o valor de um bit é alterado sem razão aparente, não causando danos permanentes ao hardware, ou seja, o bit pode ser sobrescrito (soft error)

21. Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada Single EventEffects (SEE)

22. Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Melhoria da Confiabilidade Simulação e Resultados Conclusões e Trabalhos Futuros

23. Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Estrutura do satélite MAPSAR

24. Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Plataforma de Serviços

25. Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais VeículoEspacial Telecomando Telemetria EstaçãoTerrestre Subsistema de Comunicação

26. Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais

27. Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Melhoria da Confiabilidade Simulação e Resultados Conclusões e Trabalhos Futuros

28. Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo

29. Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Soft Processor LEON3

30. Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo • Sistema Operacional de Tempo Real • RTEMS (Real Time Executive for Multiprocessor Systems) • Amplamente utilizado em aplicações espaciais, pois dá suporte a vários microprocessadores. • Utilizado no satélite Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), produzido e lançado pela NASA • É utilizado em conjunto com o LEON3 em missões da Agência Espacial Europeia

31. Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Arquitetura de Software

32. Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Componentes de Software de Controle do OBC

33. Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Interfaces entre os CSCse demais Subsistemas

34. Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo

35. Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Subsistema de Comunicação

36. Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Subsistema de Comunicação

37. Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Melhoria da Confiabilidade Simulação e Resultados Conclusões e Trabalhos Futuros

38. Melhoria da Confiabilidade Identificação de falhas em tempo de execução de maneira não intrusiva Controle de fluxo por observação do barramento AMBA Utilização de uma cópia redundante e não intrusiva do soft processorLEON3 Mascaramento das falhas identificadas utilizando duplicação do FPGA

39. Melhoria da Confiabilidade • Arquitetura com Processador Redundante

40. Melhoria da Confiabilidade • Placa do OBC com FPGA Redundante

41. Melhoria da Confiabilidade Triplicação do Monitor de Barramento

42. Melhoria da Confiabilidade Arquitetura do OBC com TMR e votador

43. Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Melhoria da Confiabilidade Simulação e Resultados Conclusões e Trabalhos Futuros

44. Simulação e Resultados Simulação Funcional

45. Simulação e Resultados Simulação Funcional

46. Simulação e Resultados Resultados da Simulação Funcional

47. Simulação e Resultados FPGA: 4VSX35FF668-10 A - Utilização do FPGA sem técnicas de tolerância a falhas B - Utilização do FPGA com um processador redundante e monitor de barramento C - Utilização do FPGA com TMR Ocupação de área no FPGA

48. Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Efeitos de Radiação na Eletrônica Embarcada Computadores de Bordo para Aplicações Espaciais Arquitetura Proposta para o Computador de Bordo Melhoria da Confiabilidade Simulação e Resultados Conclusões e Trabalhos Futuros

49. Conclusões e Trabalhos Futuros • Ao final do projeto obteve-se: • Concepção de computador de bordo, baseado no soft processor Leon 3. • Interface (física e lógica) entre o computador de bordo e a UTMC (telemetria e telecomando). • Desenvolvimento de software para o computador de bordo, conforme requisitos do INPE. • Desenvolvimento de uma técnica para melhoria da confiabilidade.

50. Conclusões e Trabalhos Futuros • Publicação do artigo “Non-intrusive fault tolerance in soft processors through circuit duplication.” Latin American Testability Workshop - LATW. • Apresentação dos resultados obtidos nessa pesquisa no evento de Encerramento AO 2009 do Uniespaço da AEB. • Estabelecimento de infraestrutura de laboratório na UFSC para o desenvolvimento sistemas embarcados para aplicações espaciais. • Colaboração na difusão do Programa Espacial Brasileiro para outras regiões do Brasil.