Brevet FR2688902A1 — publié le 19930924

La présente invention due à M Thierry MICHEL du Laboratoire de Conception des Systèmes Intégrés de l'INPG de Grenoble et à MM René DOUCET et Pascal CHAPIER se rapporte à une unité d'automate ou d'automatisme programmable, comprenant un processeur spécifique qui exécute un code d'application spécifique correspondant à un programme d'application. Un automate programmable comporte une unité centrale de traitement appelée CPU qui génère des commandes en fonction d'un programme d'automatisme et en fonction d'entrées qu'elle reçoit de l'extérieur. Une telle unité centrale de traitement, décrite dans le brevet EP-0 174 231, comporte d'une part un microprocesseur numérique rapide gérant les tâches système et exécutant des instructions sur mots et sur blocs fonctions, d'autre part un processeur booléen exécutant, entre autres, les opérations sur bits et ayant en charge le code application, (c'est à dire celui de l'application d'automatisme) et un processeur d'entrées- sorties Les différents processeurs travaillent avec des mémoires: mémoire contenant le code système, mémoire RAM interne, mémoire amovible sur support (cartouche). On a vérifié que, dans un contrôle de processus, 95 % des défauts sont dûs au procédé lui- même et que les 5 % restants ont pour origine l'automate programmable Parmi les défauts dûs à l'automate programmable, 90 % sont relatifs aux dispositifs d'entrée-sortie et 10 % sont dûs à l'unité centrale Il existe un grand nombre de défauts possibles et ces défauts peuvent se combiner. Les défauts dans l'unité centrale sont critiques parce que l'unité centrale a en charge de détecter les autres types de défauts. On utilise différentes techniques de contrôle des défauts qui sont soit des techniques matérielles soit des techniques logicielles. Certaines méthodes de test ont pour but de vérifier qu'au moment de leur exécution, le système ne présente pas de défauts Elles effectuent un contrôle permanent, exécuté pendant le fonctionnement normal de l'unité centrale et sont qualifiées de "test en ligne". Une de ces méthodes consiste à vérifier l'intégrité de la mémoire résidente et de la mémoire amovible sur support par un bit de parité Cette parité est vérifiée par le processeur booléen en lecture du code application Les défauts pouvant être détectés par cette méthode sont soit des défauts internes aux mémoires soit des erreurs sur les bus de données La mémoire image des entrées-sorties dans l'automate est également protégée par un bit de parité interne à cette mémoire. Une autre méthode de vérification de l'intégrité des mémoires contenant des données est la méthode dite "checksum" Un cheksum est exécuté régulièrement en tâche de fond sur l'ensemble de la mémoire contenant des données figées Ces checksums sont exécutés par le processeur numérique. D'autres méthodes de test ont pour but de détecter au plus tôt un erreur déjà révélée et d'éviter une défaillance plus dommageable du système. La méthode du chien de garde ("Watchdog") consiste à envoyer périodiquement des instructions de réarmement à un dispositif monostable redéclenchable Le temps compris entre l'exécution de deux ordres consécutifs de réarmement doit être inférieur à la durée générée par le dispositif monostable car sinon il y a activation d'un signal de dépassement. Si l'un des processeurs est dans un état bloquant, le signal de dépassement est alors activé. Le principal défaut des méthodes de test en ligne évoquées ci-dessus concerne leur latence de détection d'erreurs (c'est à dire le temps s'écoulant entre l'instant o une erreur est apparait et l'instant o cette erreur est détectée) Mis à part la méthode de parité dont la latence de détection est nulle, les autres méthodes ont, en général, une latence de détection supérieure au cycle de mise à jour des sorties En conséquence, une erreur, même si elle est détestable par ces méthodes, pourra entraîner des erreurs en sortie, avant que le défaut ne soit signalé. La présente invention a pour but de fournir une unité d'automate ou d'automatisme programmable disposant d'un test en ligne par analyse de signature sur le programme d'application Cette unité centrale présente un niveau de sécurité amélioré, en particulier grâce à l'augmentation du taux d'erreurs détectées (particulièrement en ce qui concerne les erreurs transitoires), à la réduction de la latence de détection des erreurs, à la réduction des conséquences potentiellement dangereuses de certaines défaillances détectables Les moyens de test incorporés à l'unité objet de l'invention apportent un très large taux de couverture des défauts pour lesquels les effets néfastes sur l'application sont inhibés. L'invention permet d'augmenter la sécurité d'applications existantes sans que des modifications importantes soient à apporter, en dehors du remplacement de l'unité Il n'est pas nécessaire de modifier la structure du programme ni le jeu d'instructions du processeur mais il faut stocker des informations relatives à la structure du programme en plus des valeurs de test et d'ajustements Ces informations doivent être exploitées par les moyens réalisant la génération de signature. L'unité conforme à l'invention est caractérisée par le fait que le processeur spécifique comporte des moyens pour calculer une signature représentative du séquencement de l'exécution du code application et des moyens de vérification de cette signature par rapport à une référence. Selon une caractéristique, les moyens pour calculer la signature incorporent des moyens d'ajustement permettant de réaliser l'invariance de la signature en une position de programme quelle que soit la séquence normale d'exécution ayant permis d'y accéder. Selon une autre caractéristique, les moyens pour calculer la signature comprennent un registre de signature et une logique associée qui permet de calculer une nouvelle signature en fonction de la signature précédente, de l'instruction courante et d'une fonction de codage prédéfinie. Selon une autre caractéristique, la fonction de codage est constituée par un polynôme. Selon une caractéristique, l'unité comporte, dans une zone mémoire différente de la zone mémoire contenant le code application à vérifier, une table de valeurs précalculées de référence permettant de vérifier la signature courante. Selon une autre caractéristique, les moyens d'ajustement comportent une table de valeurs précalculées d'ajustement, dans une zone mémoire différente de la zone mémoire contenant le code application à vérifier. Selon une autre caractéristique, les moyens réalisant l'ajustement de signature tiennent à jour un pointeur sur la table d'ajustement, cohérente avec le pointeur d'instruction du code d'application et ajustent la signature courante à chaque saut de séquence du programme d'application, ceci en utilisant la valeur d'ajustement référencée par le pointeur sur la table d'ajustement et de référence. Selon une autre caractéristique, le processeur spécifique comprend des moyens pour vérifier la signature mémorisée dans le registre de signature avec des valeurs précalculées de référence stockées dans une table de zone mémoire. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détail en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels: -La figure 1 représente l'architecture générale d'une unité centrale selon l'invention; -La figure 2 est un diagramme fonctionnel du processeur spécifique faisant partie de l'unité centrale de la figure 1; -La figure 3 montre un diagramme du dispositif de génération de signature implémenté dans le processeur spécifique. En se référant à la figure 1, l'unité centrale comporte un microprocesseur numérique standard 1 et un processeur spécifique 2 exécutant des instructions booléennes A titre indicatif, le processeur numérique est un processeur connu sous la dénomination INTEL, type 80386 et le processeur spécifique 2 est un processeur booléen. Le microprocesseur numérique 1 travaille avec une mémoire 3, par exemple de type RAM, permettant le stockage temporaire des données application, des données système, de la table de références 31 dont la fonction sera expliquée ultérieurement et avec une mémoire 4, par exemple de type ROM, contenant le code système Le processeur spécifique 2 travaille avec une mémoire 5 par exemple de type RAM ou EPROM contenant le code application c'est à dire le code d'une application particulière d'automatisme. Un bus d'adresses 6 sert à transporter les adresses générées par le microprocesseur 1 vers les mémoires 3 et 4 Les échanges d'adresses entre les mémoires 3 et 4 et le processeur spécifique 2 s'effectuent par le bus d'adresses 6 et un bus bidirectionnel d'adresses et de données 8. Un bus bidirectionnel de données 7 transmet les données entre les mémoires 3 et 4 et le microprocesseur numérique 1 Les échanges de données entre ces mémoires 3 et 4 et le processeur spécifique 2 s'effectuent par le bus bidirectionnel de données 7 et le bus bidirectionnel d'adresses et de données 8. Un bus d'adresses et de données Il et un bus associé d'adresses 9 transportent les adresses générées par le processeur spécifique 2 vers la mémoire 5 du code application. Les échanges de données entre la mémoire 5 et le processeur spécifique 2 s'effectuent par un bus bidirectionnel de données 10 et le bus bidirectionnel d'adresses et de données Il. Le processeur spécifique 2 comporte un bloc de décodage d'adresses 28 relié au bus bidirectionnel d'adresses et de données 8 via un bus d'adresses 294, un bloc opérateur spécifique 26 et un bloc de contrôle 25 du bloc opérateur spécifique 26 Un bloc pointeur 27 du code application est relié au bus d'adresses et de données Il via un bus interne d'adresses 293 Un bloc de décodage instruction 24 est relié au bus d'adresses et de données Il via un bus interne de données 292. A chaque instruction du programme correspond une valeur de signature intermédiaire qui est le résultat de la compaction des codes des instructions précédemment exécutées Cette signature intermédiaire n'est pas testée à chaque instruction, mais en certains endroits du programme Ces points de tests sont choisis en fonction de la latence de détection désirée. Une erreur mémoire dans le programme exécuté ainsi qu'une erreur de cheminement du processeur dans le programme pourront ainsi être détectées car la signature résultant de la séquence d'instructions erronée sera différente de la signature normalement attendue. Pour faciliter le stockage des valeurs de références pour le test, la signature est rendue invariante en tout point du programme C'est-à-dire que la signature intermédiaire théorique pour une instruction donnée est unique et ne dépend que de la structure du programme Cette propriété sur la signature doit être forcée à l'aide d'une opération spéciale appelée "ajustement de signature" Cette opération doit avoir lieu avant chaque point de jonction du programme Un point de jonction est une instruction o plusieurs branches du programme se rejoignent La signature générée par chaque branche est normalement différente et pour avoir une signature unique au point de jonction il est nécessaire de modifier les signatures de tous les chemins (sauf un) arrivant au point de jonction de telle sorte que tous les chemins génèrent la même signature- Le processeur spécifique 2, comporte un dispositif de génération et d'analyse de signature portant la référence AS qui génère ou calcule une signature représentative des instructions exécutées par le processeur spécifique 2 et qui vérifie la signature ainsi calculée avec des valeurs précalculées de référence. Le dispositif de génération et d'analvse de signature AS, implémenté dans le processeur spécifique 2, réalise le calcul de signature en continu des instructions (code application) stockées dans la mémoire 5 et exécutées par le processeur spécifique 2 Ce dispositif AS comporte un bloc de décodage d'adresses 21 qui décode 4 adresses et qui est relié au bus d'adresses et de données 8 via le bus d'adresses 294 et fournit des signaux de commande RDSIGN, WRSIGN, WRAJS, WRTEST, WRCPCT sur les entrées d'un bloc de contrôle 22 du générateur de signature 23 Les sorties Selb, Adjust, Shift, Valid, Outr de ce bloc de contrôle 22 délivrent des signaux de commande à un bloc de génération de signature 23 qui est relié par ailleurs au bus d'adresses et de données 8 via un bus de données interne 291 et au bus Il via un bus de données interne 292. Ce bloc de génération de signature 23 se compose de sous-ensembles 23 i ( figure 3), le nombre de ces sous-ensembles étant égal au nombre de bits dans les bus de données La génération de signature est effectuée par ce bloc 23 au moment o le processeur 2 lit la mémoire 5 contenant le code application. Pour la génération de signature, on utilise une fonction mathématique de codage prédéfinie qui, dans le mode de réalisation décrit ici, est constituée par un polynôme désigné P A titre indicatif, on peut utiliser, par exemple, un polynôme de la forme X 15 +X 11 +X 4 +X 0. Ce bloc de génération de signature 23 comporte un registre de signature 231 du type à décalage 231 qui est composé de bascules 231 i et stocke la valeur de la signature correspondant à l'instruction qui vient d'être exécutée Lorsqu'une instruction vient d'être lue et qu'elle va être exécutée (signal Instr OK activé, envoyé au bloc de contrôle de signature 22), le bloc 23 génère, grâce à une logique associée au registre de signature 231, une nouvelle signature à partir de la signature courante, de l'instruction qui vient d'être lue et est disponible sur le bus de données Il et 292 (Selb=O,Shift= 1,Valid=l) et de la fonction de codage En mode génération ou calcul de signature, le signal de sortie Qi-1 d'une bascule 231 i-1 est envoyé via un OU exclusif 233 i et un OU exclusif 232 i, si la condition de rebouclage décrite ci-dessous est vraie, sur l'entrée D de la bascule 231 i suivante Chaque OU exclusif 233 i reçoit, sur une entrée, le bit i de l'instruction présente sur le bus Il via le multiplexeur 235 i et, sur l'autre entrée, la sortie Q-1 de la bascule 231 i-1 de poids inférieur. La condition de rebouclage permettant de générer la signature est vraie, si et seulement si, le bit lil du polynôme P est égal à 1. Le OU exclusif 232 i reçoit, sur une entrée, le bit de poids fort de la signature intermédiaire et sur, l'autre entrée, la sortie du OU exclusif 233 i recevant le signal de sortie d'une bascule 231 i-1 de poids inférieur du registre de signature. En plus de la génération de signature sur des instructions exécutées par le processeur spécifique 2, le dispositif AS permet de générer une signature sur des valeurs fournies par le microprocesseur numérique 1 Ceci permet de contrôler le séquencement de fonctions traitées par le microprocesseur numérique 1 Dans ce mode de génération de signature, la donnée à compacter provient du bus 8 et 291 (repéré aussi A Di sur la figure 3), via le multiplexeur 235 i. En mode d'analyse de signature, chaque sortie Q d'une bascule 231 i du registre de signature 231 et le bit de même niveau du code présent sur le bus d'adresses et de données 8 sont envoyés sur les entrées d'un OU exclusif (XOR) 234 i Les sorties des OU exclusifs 234 i sont reliées à un NOR 29 à plusieurs entrées (autant que le nombre de bits du bus données) de manière à détecter une différence entre la valeur de signature contenue dans le registre à décalage 231 et la valeur de référence de signature qui est présente sur le bus 8 et est stockée dans la table 31. En mode ajustement, chaque bascule 231 i reçoit, en entrée, le OU exclusif de Qi et de A Di venant du bus ( 8 et 291), via les multiplexeurs 236 i et 237 i. Le dispositif permet également une lecture et une écriture du microprocesseur numérique 1 En écriture, chaque bascule 231 i du registre de signature reçoit le contenu A Di venant du bus 8, 291, via les multiplexeurs 236 i et 237 i En lecture, chaque sortie Qi d'une bascule 231 i du registre de signature est envoyée sur le bus de données 8, via un buffer 3 états 238 i. Les valeurs de référence de test et d'ajustement de la signature sont précalculées à partir de la structure du programme (après la compilation). Les valeurs de référence de test de signature sont stockées dans une zone de la mémoire 3 qui est séparée de la zone mémoire 5 contenant le code application Les mémoires sont ou non physiquement différentes selon la conception adoptée La mémoire données 3 contient d'une part une zone contenant la table 31 des valeurs d'ajustement de test pour la signature et des informations sur la structure du programme vérifié et d'autre part le pointeur 32 sur cette table de références 31. Les références sont lues par -le dispositif d'analyse de signature AS grâce à un pointeur 32 dont l'évolution est similaire au pointeur d'instructions 27 du processeur spécifique 2. A chaque instruction modifiant ce pointeur d'instruction (instructions de séquencement: branchements, sauts, départs et retours en sousprogrammes), on associe d'une part une valeur d'ajustement de signature et d'autre part une valeur pour le pointeur de référence. La valeur d'ajustement a pour effet de forcer la signature à la valeur de signature intermédiaire du point de jonction (instruction destination de l'instruction de séquencement). Le test de la signature est associé à certaines instructions du programme -(fin de code, entrées/sorties) Dans ce cas, une valeur de référence est stockée dans la table de références 31, à la position qui correspond à l'instruction associée au test. En cas de détection d'une différence entre la valeur de la signature stockée dans le registre de signature 231 et la valeur de référence stockée dans la table 31 de la mémoire données 3, le bloc de contrôle 22 déclenche une alarme (sortie ALARM). Le microprocesseur numérique 1 peut envoyer 5 signaux de commande au bloc de contrôle 22 du générateur de signature de manière à agir sur le registre de signature 231 et à réaliser les opérations définies ci-après. Le signal RDSIGN permet de lire, pour une sauvegarde, le contenu du registre de signature 231 dont le contenu est envoyé sur le bus de données 291 et sur le bus d'adresses et de données 8 La sortie Outr du bloc de contrôle 22 est alors activée et le signal correspondant est reçu par le registre trois états 238 qui valide l'envoi du contenu du registre 231 sur le bus 8. Le signal WRSIGN permet de charger le contenu du bus 8 et du bus associé 291 dans le registre de signature 231 pour l'initialisation ou une restitution (Adjust=O,Shift=O,Valid= 1). Le signal WR_A -JS permet de réaliser un ajustement sur la signature: le registre de signature 231 est chargé, via le OU exclusif 233 i, de la valeur présente sur le bus 8 ou la bus associé 291 (Adjust= 1,Shift=O,Valid= 1). Le signal WR TEST permet de réaliser un test de comparaison entre la signature stockée dans le registre de signature 231 et la signature présente sur le bus 8 (Adjust= 1,Shift= 1,Valid=O). Le signal WR-CPCT permet de compacter une valeur présente sur le bus de données 8, 291 dans le registre de signature Cette valeur est compactée de la même manière qu'une instruction booléenne (Shift= 1,Selb= 1,Valid=l). Le code du microprocesseur numérique 1 stocké dans la mémoire 4 contient des instructions 41 destinées à prendre en charge les ajustements et les tests de la signature ainsi que la gestion du pointeur de référence lors de l'exécution des instructions correspondantes dans le programme d'application Il contient d'autre part des instructions pour assurer la cohérence de la signature et du pointeur 32 de référence lors de la commutation et de l'activation de tâches. Selon une variante, l'accès à la table 31 peut être fait directement par le processeur spécifique 2, celui-ci devant inclure le pointeur 32 et les mécanismes de gestion correspondants Cette variante supprime les instructions 41. Selon une autre variante, les valeurs de référence de test de signature peuvent être stockées dans le code application stocké dans la mémoire 5, sous forme de paramètres d'instructions spéciales placées aux endroits adéquats du programme d'application Dans ce cas, il est nécessaire de modifier la structure du programme pour ajouter les instructions spécifiques à l'analyse de la signature Il faut également disposer de codes opératoires dans le jeu d'instructions du processeur spécifique 2 Cette variante fait disparaître la table 31 et le pointeur 32. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer des variantes et des perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. Ainsi, pour caractériser la fonction de compaction, on peut utiliser d'autres polynômes que le polynôme défini ci-dessus ou d'autres fonctions que des polynômes. En variante, la topologie des mémoires et des bus pourraient être différentes. REVENDICATIONS 1 Unité d'automate ou d'automatisme programmable, comprenant un processeur spécifique ( 2) exécutant un code d'application spécifique correspondant à un programme d'application, caractérisée par le fait que le processeur spécifique ( 2) comporte des moyens ( 21,22,23) pour calculer une signature représentative du séquencement de l'exécution du code application et des moyens de vérification ( 231,234,29) de cette signature par rapport à une référence ( 31). 2 Unité selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les moyens de calcul de la signature incorporent des moyens d'ajustement ( 31,41,22) permettant de réaliser l'invariance de la signature en une position de programme quelle que soit la séquence normale d'exécution ayant permis d'y accéder. 3 Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les moyens pour calculer la signature comprennent un registre de signature ( 231) et une logique associée ( 232 i,233 i,237 i,239), qui permet de calculer une nouvelle signature en fonction de la signature précédente, de l'instruction courante et d'une fonction de codage prédéfinie. 4 Unité selon la revendication 3, caractérisée par le fait que la fonction de codage est constituée par un polynôme. 5 Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle comporte, dans une zone mémoire ( 3) différente de la zone mémoire ( 5) contenant le code application à vérifier, une table ( 31) de valeurs précalculées de référence permettant de vérifier la signature courante. 6 Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les moyens d'ajustement comportent une table ( 31) de valeurs précalculées d'ajustement, dans une zone mémoire ( 3) différente de la zone mémoire ( 5) contenant le code application à vérifier. 7 Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les moyens réalisant l'ajustement de signature tiennent à jour un pointeur sur la table d'ajustement ( 31), cohérente avec le pointeur d'instruction ( 27) du code d'application et ajustent la signature courante à chaque saut de séquence du programme d'application, ceci en utilisant la valeur d'ajustement référencée par le pointeur ( 32) sur la table d'ajustement et de référence. 8 Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le processeur spécifique ( 2) comprend des moyens ( 234,29) pour vérifier la signature mémorisée dans le registre de signature ( 231) avec des valeurs précalculées de référence stockées dans une table ( 31) de zone mémoire ( 3). 9 Unité selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le traitement du code application se partage entre le processeur spécifique ( 2) et un microprocesseur numérique ( 1).