Desarrollo de una herramienta de inyección de fallas para microcontroladores de a bordo de sistemas espaciales

Abstract

Los microcontroladores empleados en sistemas espaciales se encuentran expuestos a los efectos de la radiación, la cual puede producir alteraciones en el contenido de la memoria y de los registros internos. Para evaluar el comportamiento de los microcontroladores ante estos efectos, una de las alternativas consiste en realizar ensayos de radiación que permitan reproducir condiciones similares a las del entorno espacial. Sin embargo, este tipo de ensayos requiere infraestructura especializada, lo que representa altos costos de implementación. Como alternativa a este tipo de pruebas, en este trabajo se propone el desarrollo de una herramienta de inyección de fallas que emplea técnicas de depuración en chip, orientada a microcontroladores basados en la arquitectura ARM Cortex-M, con el propósito de simular de manera controlada y reproducible las alteraciones asociadas a los upset de evento único (SEU, por su siglas en inglés). La herramienta presenta una arquitectura modular que permite configurar y ejecutar campañas de inyección de fallas, modificando de manera controlada el contenido de la memoria y de los registros de configuración de periféricos, así como analizar de forma automática los resultados. Asimismo, integra una interfaz gráfica de usuario e incorpora tres modos de operación: manual, automático y mediante archivos CSV. La evaluación experimental se realizó mediante campañas de inyección de fallas en memoria RAM, memoria flash simulada en RAM y registros de configuración de periféricos. En la RAM, el 56.2% de las fallas fueron clasificadas como silenciosas y el 35.8% como propagadas; en la memoria flash simulada en RAM, el 48.0% fueron propagadas y el 43.6% silenciosas; mientras que en los registros de configuración de periféricos, el 52.4% fueron propagadas y el 30.0% silenciosas. Estos resultados muestran una mayor proporción de fallas silenciosas en RAM y una mayor propagación de las alteraciones cuando se afectan regiones asociadas con código ejecutable o registros internos que intervienen directamente en el funcionamiento del sistema. Además, la repetición de las campañas mediante archivos CSV produjo resultados idénticos a los experimentos originales, demostrando la reproducibilidad de la herramienta. En conjunto, los resultados demuestran que la herramienta de inyección de fallas desarrollada proporciona un entorno controlado y reproducible para el estudio de la vulnerabilidad de microcontroladores ARM Cortex-M ante upset. Asimismo, su funcionamiento en los sistemas operativos Windows y macOS, así como su evaluación en un microcontrolador basado en ARM Cortex-M3, evidencian sus capacidades de portabilidad.