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F. Huemer:
"Protecting 4-Phase Delay-Insensitive Communication Against Transient Faults";
Supervisor: A. Steininger; Technische Informatik, 2017; final examination: 2017-02-20.

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.

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.