Qualitative and quantitative evaluation of stochastic Time Petri Nets

Time Petri Nets (TPN) are a well-known formalism for modelling time-dependent systems with timing constraints. This paper proposes an approach based on a stochastic extension of TPN (sTPN), which enables both qualitative assessment of feasible temporal behaviors through model checking, and quantitative evaluation of a probability measure of a given behavior, by statistical model checking. The experimental work rests on the use of the latest version of the UPPAAL toolbox which supports both exhaustive non deterministic analysis and statistical model checking of system properties. The approach is demonstrated through an example

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues

Applying the Engineering Statechart Formalism to the evaluation of soft real-time in operating systems : a use case tailored modeling and analysis technique

Multimedia applications that have emerged in recent years impose unique requirements on an underlying general purpose operating system (GPOS). The suitability of a GPOS for multimedia processing is judged by its soft real-time capabilities. To date, the question of how these capabilities can be assessed has scarcely been addressed: this is a gap in GPOS research. By answering questions on the impacts of the Interrupt Handling Facility (IHF) on the overall soft real-time capabilities of a GPOS, this thesis contributes to the filling of this blank space. The Engineering Statechart Formalism (ESF), a use case tailored formal method of modeling real-world OS, is syntactically and semantically defined. Models of the IHF of selected real-world operating systems are then created by means of this technique. As no appropriate real-time concept fitting the goals of this thesis as yet exists, a suitable definition is constructed. By projecting this system-wide idea to the interrupt subsystem, specific indicators for this subsystem are erived. These indicators are then evaluated by applying formal techniques such as graph-based analysis and temporal logic model checking to the ESF models. Finally, the assertions derived from this evaluation are interpreted with respect to their impacts on real-time multimedia processing in different general purpose operating systems.Multimedia-Anwendungen haben in den letzten Jahren weite Verbreitung erfahren. Solche Anwendungen stellen besondere Anforderungen an das Betriebssystem (BS), auf dem sie ausgeführt werden. Insbesondere Echtzeitfähigkeiten des Betriebssystems sind von Bedeutung, wenn es um seine Eignung für Multimedia-Verarbeitung geht. Bis heute wurde die Frage, wie sich diese Fähigkeiten konkret innerhalb eines BS manifestieren, nur unzureichend untersucht. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zur Füllung dieser Lücke in der BS-Forschung. Die Effekte des Subsystems zur Unterbrechungsbehandlung in BS auf die Echtzeitfähigkeit des Gesamtsystems werden detailliert auf Basis von Modellen dieses Subsystems in verschiedenen BS analysiert. Um eine formale Auswertung zu erlauben, wird eine auf den Anwendungsfall zugeschnittene formale Methode zur BS-Modellierung verwendet. Die spezifizierte Syntax und Semantik dieses Engineering Statechart Formalism (ESF) basieren auf dem klassischen Statechart-Formalismus. Da bislang kein geeigneter Echtzeit-Begriff existiert, wird eine konsistente Definition hergeleitet. Durch die Abbildung dieser sich auf das Gesamtsystem beziehenden Eigenschaft auf die Unterbrechungsbehandlung werden spezifische Indikatoren für dieses Subsystem hergeleitet. Die Ausprägungen dieser Indikatoren für die verschiedenen untersuchten Betriebssyteme werden anhand formaler Methoden wie graphbasierter Analyse und Temporal Logic Model Checking ausgewertet. Die Interpretation der Untersuchungsergebnisse liefert Aussagen über die Effekte der Implementierung der Unterbrechungsbehandlung auf die Echtzeitfähigkeit der untersuchten Betriebssysteme bei der Verarbeitung von multimedialen Daten

Perfomance Analysis and Resource Optimisation of Critical Systems Modelled by Petri Nets

Un sistema crítico debe cumplir con su misión a pesar de la presencia de problemas de seguridad. Este tipo de sistemas se suele desplegar en entornos heterogéneos, donde pueden ser objeto de intentos de intrusión, robo de información confidencial u otro tipo de ataques. Los sistemas, en general, tienen que ser rediseñados después de que ocurra un incidente de seguridad, lo que puede conducir a consecuencias graves, como el enorme costo de reimplementar o reprogramar todo el sistema, así como las posibles pérdidas económicas. Así, la seguridad ha de ser concebida como una parte integral del desarrollo de sistemas y como una necesidad singular de lo que el sistema debe realizar (es decir, un requisito no funcional del sistema). Así pues, al diseñar sistemas críticos es fundamental estudiar los ataques que se pueden producir y planificar cómo reaccionar frente a ellos, con el fin de mantener el cumplimiento de requerimientos funcionales y no funcionales del sistema. A pesar de que los problemas de seguridad se consideren, también es necesario tener en cuenta los costes incurridos para garantizar un determinado nivel de seguridad en sistemas críticos. De hecho, los costes de seguridad puede ser un factor muy relevante ya que puede abarcar diferentes dimensiones, como el presupuesto, el rendimiento y la fiabilidad. Muchos de estos sistemas críticos que incorporan técnicas de tolerancia a fallos (sistemas FT) para hacer frente a las cuestiones de seguridad son sistemas complejos, que utilizan recursos que pueden estar comprometidos (es decir, pueden fallar) por la activación de los fallos y/o errores provocados por posibles ataques. Estos sistemas pueden ser modelados como sistemas de eventos discretos donde los recursos son compartidos, también llamados sistemas de asignación de recursos. Esta tesis se centra en los sistemas FT con recursos compartidos modelados mediante redes de Petri (Petri nets, PN). Estos sistemas son generalmente tan grandes que el cálculo exacto de su rendimiento se convierte en una tarea de cálculo muy compleja, debido al problema de la explosión del espacio de estados. Como resultado de ello, una tarea que requiere una exploración exhaustiva en el espacio de estados es incomputable (en un plazo prudencial) para sistemas grandes. Las principales aportaciones de esta tesis son tres. Primero, se ofrecen diferentes modelos, usando el Lenguaje Unificado de Modelado (Unified Modelling Language, UML) y las redes de Petri, que ayudan a incorporar las cuestiones de seguridad y tolerancia a fallos en primer plano durante la fase de diseño de los sistemas, permitiendo así, por ejemplo, el análisis del compromiso entre seguridad y rendimiento. En segundo lugar, se proporcionan varios algoritmos para calcular el rendimiento (también bajo condiciones de fallo) mediante el cálculo de cotas de rendimiento superiores, evitando así el problema de la explosión del espacio de estados. Por último, se proporcionan algoritmos para calcular cómo compensar la degradación de rendimiento que se produce ante una situación inesperada en un sistema con tolerancia a fallos

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues