Einleitung

Aufgrund der Vielfalt und der stetig steigenden Komplexität von Applikationen in den heutigen eingebetteten Echtzeit-Systemen werden unterschiedliche Ausführungsszenarien (Modes) im Entwurf solcher Systeme berücksichtigt. Beispiele für Ausführungsszenarien sind etwa unterschiedliche Fahrzustände in einem Fahrzeug (Leerlauf, Beschleunigung) oder unterschiedliche Betriebszustände mobiler Endgeräte (Flugzeugmodus, Stromsparmodus). Die Umschaltung zwischen den verschiedenen Ausführungsszenarien erfolgt dabei häufig während der Laufzeit des Systems,  in Abhängigkeit von internen oder externen Bedingungen.

Bei Szenarienübergängen während der Laufzeit können sich Zustände ergeben, in denen zwei oder mehr Szenarien sich zeitlich überlappen. Diese zeitlichen Überlappungen können wiederum dazu führen, dass transiente Überlastsituationen entstehen, die in keiner der einzelnen Szenarien auftreten. Diese können sich bei einer zeitlich ausgedehnten Überlappung wie Wellen (Waves) zwischen den Systemkomponenten unkontrolliert propagieren und dadurch zu unbeherrschbaren Systemen führen.

Im Systementwurf moderner Echtzeit-Systeme müssen deshalb die Echtzeitanforderungen sowohl für jedes Szenario einzeln, als auch für jeden Szenarienübergang verifiziert werden.

Projekt ModeWaves

Die Bildung von Szenarien ist ein bekannter Modellierungsansatz zum Test und zur Optimierung eingebetteter Systeme, der im Systementwurf eine wichtige Rolle spielt, um eine Überdimensionierung des Systems zu verhindern und den Test zu vereinfachen. Dabei werden Abläufe und Zustände eines Systems in Klassen unterteilt, die getrennt betrachtet werden. Dies ermöglicht die Analyse des Systemverhaltens in den verschiedenen Szenarien und damit eine präzisere Abschätzung des Ressourcenbedarfs und der Echtzeitfähigkeit.  

Die Auswirkungen der Szenarienübergänge auf das Zeitverhalten eines Systems wurden allerdings bislang nur für Einzelprozessorsysteme untersucht. Mit der Einführung von Multicore-Architekturen  und von neuen Softwarestandards, wie AUTOSAR, werden Szenarienübergänge möglich, die ein Netzwerk von Steuergeräten betreffen. Dies wird zu viel komplizierterem lokalen Zeitverhalten der Steuergeräte mit entsprechenden Auswirkungen auf das vernetzte System führen.

Im Rahmen des ModeWaves Projekts liegt deshalb der Fokus auf der Erarbeitung von Lösungsvorschlägen für die formale Analyse und Optimierung von Szenarien und Szenarienübergängen in vernetzten Multicore-Systemen. Die zentralen Aspekte im Projekt ModeWaves sind:

• Entwurf einer „lokalen Analyse“ für Multicore-Architekturen mit gemeinsam genutzten Ressourcen. Das Ziel ist es, Szenarienübergänge auf einzelnen Multicore-Systemen zu  modellieren und zu analysieren unter der Berücksichtigung der Kopplung der Tasks-Ausführungszeiten verschiedener Cores durch die Nutzung gemeinsamer Ressourcen.
• Erweiterung des Modellierung- und Analyseansatzes für Szenarienübergänge in einzelnen Multicore-Systemen um Migration. Es soll erstmalig gezielt die Migration von Tasks zwischen den Cores einer Multicore-Architektur betrachtet werden, um die Auswirkungen der Migration (z.B veränderte Lasten auf dem internen Netz, zusätzliche Cache-Misses oder veränderten Task-Ausführungszeiten) formal zu modellieren und zu analysieren.
• Entwurf einer „globalen Analyse“ für Multicore-Architekturen unter Berücksichtigung von Szenarienübergängen. Durch die zunehmende Verteilung von Anwendungen in vernetzten eingebetteten Systemen kommt man zu globalen Szenarien, die sich über mehr als ein Steuergerät erstrecken. Szenarienübergänge betreffen dann mehr als ein Steuergerät sowie entsprechenden Netzsegmente. Demzufolge können  Kombinationen von Szenarien und Szenarienübergängen entstehen, die derzeit eine enorme Herausforderung für Test und Verifikation darstellen. Es soll weiter untersucht werden, ob die Vernetzung mehrerer Multicore-Architekturen die Kopplung einzelner lokaler Analysen zulässt oder ein erweitertes Analyseverfahren erforderlich ist.
• Weiterhin wird die Analyse-Software SymTA/S derartig erweitert, dass sie die Modellierung und die Analyse von Multicore-Systemen unterstützt und die Darstellung der neuartigen Analyseergebnisse ermöglicht.

Beteiligte am IDA

• WiMi

  • Mircea Negrean

• Students

  • Sebastian Klawitter (HiWi/ Java Programmierung)

    • Erweiterung der GUI von SymTA/S um Multi-Mode Systeme zu modelieren und zu analysieren
    • Generierung verschiedener TestCases für Multi-Core Systeme

  • Torben Schmidt (Studienseminar)

    • Vortrag über "Mode Changes in Real-Time Systems"

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)