Developing a test suite to aid in single event effect testing of ARM microcontrollers
Date
2021-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This thesis presents a test suite's design and development that can easily integrate Arm
Cortex-M, specifically the STMicroelectronics STM32-range, into the SEE test environment
at iThemba Labs with minimal effort from the testers. It can also help local satellite designers
verify the resistivity of their designs to Single Event Effects (SEE), even with minimal, or
no, SEE test data for their specific Device-Under-Test (DUT). A concept design for such a
system is done, and an iterative approach is followed to implement this system. The validity
of using JTAG to extract or inject data into the DUTs is investigated. A custom JTAG
driver is reverse-engineered and implemented to be able to use JTAG to quickly extract data
from a DUT to perform low-level data extraction to pinpoint SEE induced errors, or inject
data into a DUT to emulate a SEE test environment and to verify mitigation techniques
and system responses before SEE testing. A test station, utilising a Raspberry Pi, is designed
to interface with the DUT while inside the SEE test radiation vault and has the option of
controlling power to the DUT as well. A monitoring station is also implemented that allows
the tester to interface to the test station from a computer over ethernet, enabling safe
operation of the test station and DUT from outside the vault. The design is easily changeable
to allow for different testing styles or DUTs. Before the final iteration, it was also subjected
to a real SEE test at iThemba Labs to verify its effectiveness. A scripting ability was also
added, allowing for automated tests that can be useful to increase testers' effectiveness during
SEE testing or to use fault injection to determine areas sensitive to errors inside DUT
implementations or to test the effectiveness of implemented mitigation techniques.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis detaileer die ontwerp en implementering van ‘n toets stelsel wat maklik gebruik kan word om Arm Cortex-M, en spesifiek die STMicroelectronics STM32-familie, mikroverwerkers te integreer in die Enkel Gebeurtenis Effek (EGE) toetsomgewing by iThemba LABS, met minimale moeite en veranderinge deur toetsers. Dit kan ook gebruik word deur plaaslike satelliet ontwerpers om die weerstand van hulle ontwerpe teen EGE meer effektief te verifieer, selfs met geen of minimale beskikbare EGE toetsdata vir die spesifieke Toestel-Onder-Toets (TOT). ’n Konsep ontwerp vir so ’n stesel word gedoen, en ’n iteratiewe ontwerp implementering word gevolg om die stelsel op die been te kry. Die geldigheid van JTAG om data te onttrek of in te voeg na die interne componente van die TOT word ondersoek, en ’n JTAG drywer word ontwerp en gebruik om vinnig data te lees vanaf ’n TOT vir lae-vlak fout analise om EGE foute presies op te spoor, of om data in te ent om die effekte van die EGE toets omgewing te emuleer en om toegepaste mitigasie tegnieke se effektiwiteit te bepaal en die stelsel reaksies te karakteriseer voor EGE toetsing plaasvind. ’n Toetsstasie, wat gebruik maak van ’n Raspberry Pi, word ontwerp wat kan kommunikeer met die TOT terwyl beide in die EGE toets radiasie kluis is. Die toetsstasie kan ook die krag toevoer na die TOT beheer. ’n Monitor-stasie word ook geimplementeer wat die toetser toelaat om deur middel van ’n rekenaar via ethernet te koppel aan die toetsstasie vir veilige beheer oor die toetsstasie en die TOT vanaf buite die kluis. Die maklik- veranderbare ontwerp maak voorsiening vir verskillende toets-style of TOTs, en voor die finale iterasie word die stelsel ook blootgestel aan ’n EGE toets by iThemba LABS om die stelsel effektiwiteit te bepaal. ’n Skrip-vermoë was ook bygevoeg wat voorsiening maak vir outomatiese toetsing, wat waarde kan byvoeg vir toetsers gedurende EGE toetsing, of deur fout inenting te gebruik om sensitiewe areas vir EGE effekte binne-in die TOT te bepaal. Dit kan ook help om te verifieer of geimplementeerde mitigasie tegnieke werk.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis detaileer die ontwerp en implementering van ‘n toets stelsel wat maklik gebruik kan word om Arm Cortex-M, en spesifiek die STMicroelectronics STM32-familie, mikroverwerkers te integreer in die Enkel Gebeurtenis Effek (EGE) toetsomgewing by iThemba LABS, met minimale moeite en veranderinge deur toetsers. Dit kan ook gebruik word deur plaaslike satelliet ontwerpers om die weerstand van hulle ontwerpe teen EGE meer effektief te verifieer, selfs met geen of minimale beskikbare EGE toetsdata vir die spesifieke Toestel-Onder-Toets (TOT). ’n Konsep ontwerp vir so ’n stesel word gedoen, en ’n iteratiewe ontwerp implementering word gevolg om die stelsel op die been te kry. Die geldigheid van JTAG om data te onttrek of in te voeg na die interne componente van die TOT word ondersoek, en ’n JTAG drywer word ontwerp en gebruik om vinnig data te lees vanaf ’n TOT vir lae-vlak fout analise om EGE foute presies op te spoor, of om data in te ent om die effekte van die EGE toets omgewing te emuleer en om toegepaste mitigasie tegnieke se effektiwiteit te bepaal en die stelsel reaksies te karakteriseer voor EGE toetsing plaasvind. ’n Toetsstasie, wat gebruik maak van ’n Raspberry Pi, word ontwerp wat kan kommunikeer met die TOT terwyl beide in die EGE toets radiasie kluis is. Die toetsstasie kan ook die krag toevoer na die TOT beheer. ’n Monitor-stasie word ook geimplementeer wat die toetser toelaat om deur middel van ’n rekenaar via ethernet te koppel aan die toetsstasie vir veilige beheer oor die toetsstasie en die TOT vanaf buite die kluis. Die maklik- veranderbare ontwerp maak voorsiening vir verskillende toets-style of TOTs, en voor die finale iterasie word die stelsel ook blootgestel aan ’n EGE toets by iThemba LABS om die stelsel effektiwiteit te bepaal. ’n Skrip-vermoë was ook bygevoeg wat voorsiening maak vir outomatiese toetsing, wat waarde kan byvoeg vir toetsers gedurende EGE toetsing, of deur fout inenting te gebruik om sensitiewe areas vir EGE effekte binne-in die TOT te bepaal. Dit kan ook help om te verifieer of geimplementeerde mitigasie tegnieke werk.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2021.
Keywords
ARM microcontrollers -- Testing, UCTD, Raspberry Pi (Computer), Nanosatellites -- Design and construction, Testing laboratories -- South Africa