Mixed Criticality Systems - A Review : (13th Edition, February 2022)

This review covers research on the topic of mixed criticality systems that has been published since Vestal’s 2007 paper. It covers the period up to end of 2021. The review is organised into the following topics: introduction and motivation, models, single processor analysis (including job-based, hard and soft tasks, fixed priority and EDF scheduling, shared resources and static and synchronous scheduling), multiprocessor analysis, related topics, realistic models, formal treatments, systems issues, industrial practice and research beyond mixed-criticality. A list of PhDs awarded for research relating to mixed-criticality systems is also included

Architektur- und Leistungsanalyse eines Mehgenerationen-SDRAM-Controllers für gemischte Kritikalitätssysteme

Due to their high-density and low-cost, DDR SDRAM are the prevailing choice for implementing the main memory of a computer system. Nevertheless, the aforementioned benefits come at the cost of a complex two-stage access protocol, which ultimately means that the time required to serve a memory request depends on the history of previous requests. Otherly stated, DDR SDRAMs are a stateful resource. The main goal of this dissertation is to design a controller that leverages the state of DDR SDRAMs in a mixed criticality environment. More specifically, the controller should provide good average performance for best-effort requestors without compromising timing guarantees for critical requestors. With that regard, this dissertation firstly identifies two challenges of growing relevance for the design of memory controllers for the mixed criticality domain. The first challenge is the data bus turnaround time. The second challenge is the rank-to-rank switching time and only affects multi-rank modules. After pinpointing the two aforementioned challenges, this dissertation proposes a SDRAM controller to tackle them. The proposed controller bundles read and write operations in their corresponding ranks, thus minimizing the number of data bus turnarounds and rank switching events. As a consequence, the average performance of the controller is improved. However, the bundling is carefully designed so that real-time guarantees for critical requestors can be extracted. Moreover, as it will become clear, both the operation of the controller and the corresponding analysis of the temporal properties are described in terms of a generation-independent notation. This is a desirable feature because different SDRAM generations have different architectural features and possibly, timing constraints. Finally, an extensive comparison with the related work is performed. Furthermore, trends in worst-case latency over DDR SDRAM from different speed bins and generations are presented and thoroughly discussed.Aufgrund ihrer hohen Dichte und geringen Kosten sind DDR SDRAM die vorherrschende Wahl für die Implementierung des Hauptspeichers eines Computersystems. Die oben genannten Vorteile gehen jedoch zu Lasten eines komplexen zweistufigen Zugriffsprotokolls, was letztendlich bedeutet, dass die Zeit, die benötigt wird, um eine Speicheranforderung zu bedienen, von der Historie früherer Zugriffe abhängt. Anders ausgedrückt, DDR SDRAM sind eine zustandsabhängige Ressource, was die Umsetzung gemischter Kritikalitäten weiter erschwert, da unterschiedliche Ebenen der Kritikalität widersprüchliche Bedürfnisse haben. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, einen Controller zu entwickeln, der den Zustand der DDR-SDRAMs in einer gemischten Kritikalitätsumgebung nutzt. Genauer gesagt, der Controller soll eine gute durchschnittliche Leistung für best-effort Zugriffe ermöglichen, ohne die Garantien für kritische Zugriffe zu gefährden. In diesem Zusammenhang identifiziert diese Dissertation zunächst zwei Herausforderungen von wachsender Relevanz für das Design von Speichercontrollern für Systeme gemischter Kritikalität. Die erste Herausforderung ist die notwendige Zeit zur Richtungsänderung des Datenbusses. Die zweite Herausforderung ist die Rang-zu-Rang-Schaltzeit und betrifft nur Module mit mehreren Rängen. Nach dem Aufzeigen der beiden oben genannten Herausforderungen, schlägt diese Dissertation einen SDRAM Controller vor, um sie anzugehen. Der vorgeschlagene Controller bündelt Lese und Schreib Operationen in ihren entsprechenden Rängen, wodurch die Anzahl der Richtungsänderungen des Datenbusses und die Anzahl der Rangwechsel minimiert wird. Dadurch wird die durchschnittliche Leistung des Controllers verbessert. Die Bündelung ist so konzipiert, dass Echtzeit-Garantien für kritische Zugriffe abgeleitet werden können. Darüber hinaus werden, wie sich zeigen wird, sowohl das Verhalten des Controllers als auch die entsprechende Analyse der zeitlichen Eigenschaften in Form einer generationsunabhängigen Notation beschrieben. Dies ist ein wünschenswertes Merkmal, da verschiedene SDRAM Generationen unterschiedliche architektonische Merkmale und zeitliche Beschränkungen haben. Abschließend wird ein ausführlicher Vergleich mit inhaltlich verwandten Arbeiten durchgeführt. Außerdem werden Trends in der Worst-Case-Latenz von DDR SDRAM aus verschiedenen Geschwindigkeitsklassen und Generationen vorgestellt und ausführlich diskutiert

Erreichen von Performance in Netzwerken-On-Chip für Echtzeitsysteme

In many new applications, such as in automatic driving, high performance requirements have reached safety critical real-time systems. Consequently, Networks-on-Chip (NoCs) must efficiently host new sets of highly dynamic workloads e.g., high resolution sensor fusion and data processing, autonomous decision’s making combined with machine learning. The static platform management, as used in current safety critical systems, is no more sufficient to provide the needed level of service. A dynamic platform management could meet the challenge, but it usually suffers from a lack of predictability and the simplicity necessary for certification of safety and real-time properties. In this work, we propose a novel, global and dynamic arbitration for NoCs with real-time QoS requirements. The mechanism decouples the admission control from arbitration in routers thereby simplifying a dynamic adaptation and real-time analysis. Consequently, the proposed solution allows the deployment of a sophisticated contract-based QoS provisioning without introducing complicated and hard to maintain schemes, known from the frequently applied static arbiters. The presented work introduces an overlay network to synchronize transmissions using arbitration units called Resource Managers (RMs), which allows global and work-conserving scheduling. The description of resource allocation strategies is supplemented by protocol design and verification methodology bringing adaptive control to NoC communication in setups with different QoS requirements and traffic classes. For doing that, a formal worst-case timing analysis for the mechanism has been proposed which demonstrates that this solution not only exposes higher performance in simulation but, even more importantly, consistently reaches smaller formally guaranteed worst-case latencies than other strategies for realistic levels of system's utilization. The approach is not limited to a specific network architecture or topology as the mechanism does not require modifications of routers and therefore can be used together with the majority of existing manycore systems. Indeed, the evaluation followed using the generic performance optimized router designs, as well as two systems-on-chip focused on real-time deployments. The results confirmed that the proposed approach proves to exhibit significantly higher average performance in simulation and execution.In vielen neuen sicherheitskritische Anwendungen, wie z.B. dem automatisierten Fahren, werden große Anforderungen an die Leistung von Echtzeitsysteme gestellt. Daher müssen Networks-on-Chip (NoCs) neue, hochdynamische Workloads wie z.B. hochauflösende Sensorfusion und Datenverarbeitung oder autonome Entscheidungsfindung kombiniert mit maschineller Lernen, effizient auf einem System unterbringen. Die Steuerung der zugrunde liegenden NoC-Architektur, muss die Systemsicherheit vor Fehlern, resultierend aus dem dynamischen Verhalten des Systems schützen und gleichzeitig die geforderte Performance bereitstellen. In dieser Arbeit schlagen wir eine neuartige, globale und dynamische Steuerung für NoCs mit Echtzeit QoS Anforderungen vor. Das Schema entkoppelt die Zutrittskontrolle von der Arbitrierung in Routern. Hierdurch wird eine dynamische Anpassung ermöglicht und die Echtzeitanalyse vereinfacht. Der Einsatz einer ausgefeilten vertragsbasierten Ressourcen-Zuweisung wird so ermöglicht, ohne komplexe und schwer wartbare Mechanismen, welche bereits aus dem statischen Plattformmanagement bekannt sind einzuführen. Diese Arbeit stellt ein übergelagertes Netzwerk vor, welches Übertragungen mit Hilfe von Arbitrierungseinheiten, den so genannten Resource Managern (RMs), synchronisiert. Dieses überlagerte Netzwerk ermöglicht eine globale und lasterhaltende Steuerung. Die Beschreibung verschiedener Ressourcenzuweisungstrategien wird ergänzt durch ein Protokolldesign und Methoden zur Verifikation der adaptiven NoC Steuerung mit unterschiedlichen QoS Anforderungen und Verkehrsklassen. Hierfür wird eine formale Worst Case Timing Analyse präsentiert, welche das vorgestellte Verfahren abbildet. Die Resultate bestätitgen, dass die präsentierte Lösung nicht nur eine höhere Performance in der Simulation bietet, sondern auch formal kleinere Worst-Case Latenzen für realistische Systemauslastungen als andere Strategien garantiert. Der vorgestellte Ansatz ist nicht auf eine bestimmte Netzwerkarchitektur oder Topologie beschränkt, da der Mechanismus keine Änderungen an den unterliegenden Routern erfordert und kann daher zusammen mit bestehenden Manycore-Systemen eingesetzt werden. Die Evaluierung erfolgte auf Basis eines leistungsoptimierten Router-Designs sowie zwei auf Echtzeit-Anwendungen fokusierten Platformen. Die Ergebnisse bestätigten, dass der vorgeschlagene Ansatz im Durchschnitt eine deutlich höhere Leistung in der Simulation und Ausführung liefert