Protecting 4-phase delay-insensitive communication against transient faults

Abstract

Mit ihrer Robustheit gegen Signallaufzeitschwankungen bieten asynchrone delay-insensitive (DI) Übertragungsstrecken vorteilhafte Eigenschaften im Vergleich zu synchronen Lösungen. Dabei ist allerdings zu beachten, dass dafür spezielle DI Codes notwendig sind. Diese Codes sind aber in der Regel sehr anfällig für transiente Fehler, die während einer Übertragung auftreten können, da bei vielen dieser Codes bereits ein einzelner Fehler (im schlimmsten Fall) eine völlige Änderung des Nachrichteninhaltes zur Folge haben kann. Wenn dem Empfänger einer solchen Nachricht keine zusätzlichen Informationen zur Verfügung gestellt werden, hat dieser keine Möglichkeit, diese Übertragungsfehler zu erkennen, was natürlich schwerwiegende Konsequenzen für ein System an sich sowie dessen Umgebung haben kann. In dieser Arbeit werden daher Möglichkeiten zur Absicherung von DI Kommunikation untersucht. Darüber hinaus wird ein neuartiges, zweistufiges Kodierungsverfahren vorgestellt, das auf der Kombination von fehlererkennenden und DI Codes basiert. Diese Lösung nützt dabei die inhärente Fehlerwiderstandsfähigkeit von DI Codes aus und erreicht damit eine gute Kodierungseffizienz bei gleichzeitig niedrigem Implementierungsaufwand. Um die Fehleranfälligkeit der Codes zu analysieren und um gültige Lösungen zu ermitteln, kommen Methoden der Graphentheorie zum Einsatz. Im Vergleich zu existierenden Lösungen wird hier sehr genau darauf geachtet, keine Annahmen über das Signallaufzeitverhalten zu treffen. Die vorgeschlagene Lösung ist sehr generisch und kann prinzipiell mit jedem vierphasigen DI Code verwendet werden. Mittels einer repräsentativen Auswahl von m-aus-n Codes wird gezeigt, wie das Kodierungsverfahren angewendet wird und welche Kodierungseffizienz dabei zu erwarten ist. Zusätzlich wird eine Metrik eingeführt, die es erlaubt geeignete Codes für gegebene Anforderungen an fehlertolerante Übertragungsstrecken zu identifizieren. Weiters stellen wir eine Reihe von Sender- und Empfängerschaltungen vor, die verwendet werden können, um das neue Kodierungsverfahren zu implementieren. Zwei detaillierte Implementierungsbeispiele auf Gatterebene für Vertreter der m-aus-n Codeklasse demonstrieren dabei die Machbarkeit des Lösungsansatzes und geben einen Einblick in die zu erwartenden Implementierungskosten.

Compared to synchronous approaches, asynchronous delay-insensitive (DI) communication links have very interesting and desirable properties with respect to their robustness against timing variations and delay assumptions required to implement them. However, special DI codes have to be used to encode the data being transmitted. These codes are usually prone to transient faults occurring during an ongoing transmission, since, in the worst case, even a single transient fault is sufficient to completely change the contents of a message. Unless further redundant information is provided, the receiver has no means to detect such an erroneous transmission. This can, of course, have severe consequences on a system and the environment depending on it. In this thesis we therefore investigate existing approaches to secure DI communication against transient faults and propose a novel two-step data encoding scheme that combines DI and error detecting codes. Our solution exploits the inherent fault resilience of DI codes to achieve a low overhead and hence good coding efficiency. We use methods from graph theory to analyze this fault resilience and identify appropriate solutions. In contrast to existing approaches we carefully avoid the introduction of timing assumptions to mask faults. The proposed coding scheme is generic and can, in principle, be used with any 4-phase DI code. We give examples on how to apply it to selected representatives of the important class of m-of-n codes and analyze the resulting coding efficiency. Additionally, we provide a metric that allows to identify which codes are well suited for fault-tolerant communication. We, furthermore, provide a range of transmitter and receiver circuit variants that implement the presented coding scheme. In particular, we give detailed gate-level implementation examples for two m-of-n codes, that demonstrate the feasibility of our approach and give some insight into the required implementation overhead.