Real-time trace decoding and monitoring for safety and security in embedded systems

Abstract

Integrated circuits and systems can be found almost everywhere in today’s world. As their use increases, they need to be made safer and more perfor mant to meet current demands in processing power. FPGA integrated SoCs can provide the ideal trade-off between performance, adaptability, and energy usage. One of today’s vital challenges lies in updating existing fault tolerance techniques for these new systems while utilizing all available processing capa bilities, such as multi-core and heterogeneous processing units. Control-flow monitoring is one of the primary mechanisms described for error detection at the software architectural level for the highest grade of hazard level clas sifications (e.g., ASIL D) described in industry safety standards ISO-26262. Control-flow errors are also known to compose the majority of detected errors for ICs and embedded systems in safety-critical and risk-susceptible environ ments [5]. Software-based monitoring methods remain the most popular [6–8]. However, recent studies show that the overheads they impose make actual reliability gains negligible [9, 10]. This work proposes and demonstrates a new control flow checking method implemented in FPGA for multi-core embedded systems called control-flow trace checker (CFTC). CFTC uses existing trace and debug subsystems of modern processors to rebuild their execution states. It can iden tify any errors in real-time by comparing executed states to a set of permitted state transitions determined statically. This novel implementation weighs hardware resource trade-offs to target mul tiple independent tasks in multi-core embedded applications, as well as single core systems. The proposed system is entirely implemented in hardware and isolated from all monitored software components, requiring 2.4% of the target FPGA platform resources to protect an execution unit in its entirety. There fore, it avoids undesired overheads and maintains deterministic error detection latencies, which guarantees reliability improvements without impairing the target software system. Finally, CFTC is evaluated under different software i Resumo fault-injection scenarios, achieving detection rates of 100% of all control-flow errors to wrong destinations and 98% of all injected faults to program binaries. All detection times are further analyzed and precisely described by a model based on the monitor’s resources and speed and the software application’s control-flow structure and binary characteristics.

Circuitos integrados estão presentes em quase todos sistemas complexos do mundo moderno. Conforme sua frequência de uso aumenta, eles precisam se tornar mais seguros e performantes para conseguir atender as novas demandas em potência de processamento. Sistemas em Chip integrados com FPGAs conseguem prover o balanço perfeito entre desempenho, adaptabilidade, e uso de energia. Um dos maiores desafios agora é a necessidade de atualizar técnicas de tolerância à falhas para estes novos sistemas, aproveitando os novos avanços em capacidade de processamento. Monitoramento de fluxo de controle é um dos principais mecanismos para a detecção de erros em nível de software para sistemas classificados como de alto risco (e.g. ASIL D), descrito em padrões de segurança como o ISO-26262. Estes erros são conhecidos por compor a maioria dos erros detectados em sistemas integrados [5]. Embora métodos de monitoramento baseados em software continuem sendo os mais populares [6–8], estudos recentes mostram que seus custos adicionais, em termos de performance e área, diminuem consideravelmente seus ganhos reais em confiabilidade [9, 10]. Propomos aqui um novo método de monitora mento de fluxo de controle implementado em FPGA para sistemas embarcados multi-core. Este método usa subsistemas de trace e execução de código para reconstruir o estado atual do processador, identificando erros através de com parações entre diferentes estados de execução da CPU. Propomos uma implementação que considera trade-offs no uso de recuros de sistema para monitorar múltiplas tarefas independetes. Nossa abordagem suporta o monitoramento de sistemas simples e também de sistemas multi-core multitarefa. Por fim, nossa técnica é totalmente implementada em hardware, evitando o uso de unidades de processamento de software que possa adicionar custos indesejáveis à aplicação em perda de confiabilidade. Propomos, assim, um mecanismo de verificação de fluxo de controle, escalável e extensível, para proteção de sistemas embarcados críticos e multi-core.