Kapselung von Standard-Betriebssystemen

Populaere Betriebssysteme (Windows XP, UNIX) sind in heutiger Zeit meist monolithisch aufgebaut. Durch immer neue nachgewiesene Sicherheitslücken in Kern und Anwendungen wird eindrucksvoll belegt, dass monolithische Architekturen den heutigen Sicherheitsanforderungen nicht mehr gewachsen sind. Dennoch kann man auf die reichhaltige Basis an Anwendungen heutiger Betriebssysteme nicht verzichten. Als Ausweg werden herkoemmliche Betriebssysteme isoliert in einer vertrauenswuerdigen Umgebung ausgeführt. Eine in letzter Zeit immer populaerere Methode zur Kapselung besteht in der Virtualisierung mit verschiedenen Auspraegungen. Mit L4Linux wurde 1997 erstmals nachgewiesen, dass die Ausfuehrung eines Standard-Betriebssystems auf einem Mikrokern (manchmal auch Para-Virtualisierung genannt) nicht zwangslaeufig zu inakzeptablen Mehrkosten an Laufzeit fuehren muss. Bei Einsatz von gebraeuchlicher Standardhardware muessen allerdings eine Reihe von Problemen geloest werden, unter anderem der uneingeschraenkte Zugriff von Geraeten auf den physischen Adressraum mittels DMA. Im Rahmen der Arbeit wird ein allgemeines Modell von IO-Adressraeumen als Erweiterung der virtuellen Adressraeume der CPU eingefuehrt und gezeigt, wie mittels Teil-Virtualisierung von Geraeten IO-Adressraeume in Software emuliert werden koennen. Weiterhin werden anhand von L4Linux Moeglichkeiten eroertert und implementiert, wie Betriebssystem-Kerne vollstaendig gezaehmt und insbesondere ohne IO-Privilegien ausgefuehrt werden koennen. Im Kapitel "Leistungsbewertung" erfolgt eine umfangreiche Evaluation der Implementierung anhand von L4Linux 2.2

Context-Aware Mobile Crowd Sensing using Mobile Hybrid Application Frameworks

Mobile Endgeräte sind heutzutage allgegenwärtig und werden in vielen Bereichen des alltäglichen Lebens eingesetzt. Als mobile Begleiter ermöglichen Smartphones den Einsatz mobiler Applikationen zu jeder Tageszeit und in einer Vielzahl von Situationen. Die Nutzung einer mobilen Applikation erfolgt heutzutage meist durch eine explizite Interaktion des Nutzers. Im Gegensatz dazu können sich kontextsensitive Anwendungen adaptiv verhalten und ermöglichen eine implizite Interaktion. Auch im Bereich des Mobile- Crowdsourcings gewinnen kontextbewusste Applikationen an Bedeutung. Datensätze können mit Kontextinformationen angereichert werden und die Datenerfassung kann kontextsensitiv erfolgen. Die Entwicklung solcher Applikationen kann auf unterschiedliche Art und Weise durchgeführt werden. Im Vergleich zur nativen Applikationsentwicklung kann die Entwicklung mobiler Webanwendungen oder hybrider Applikationen plattformunabhängig erfolgen. Cross-Platform-Ansätze vereinen die Vorteile von nativer und hybrider Applikationsentwicklung. Dabei ermöglichen Frameworks wie NativeScript den direkten Zugriff auf native Schnittstellen. Für diese Ansätze stehen jedoch keine allgemeinen Werkzeuge zur Verfügung, um Anwendungen kontextsensitiv zu implementieren. Um die Cross-Platform-Entwicklung kontextsensitiver Applikationen zu vereinfachen, wurde ein Framework für NativeScript-Applikationen entwickelt. Das Framework stellt Komponenten zur Verfügung, welche die plattformunabhängige Entwicklung kontextsensitiver Applikationen unterstützen. Auf Basis einer logikbasierten Kontextrepräsentation und eines regelbasierten Schlussfolgerungsmechanismus können Applikationsentwickler Kontextereignisse definieren. Diese werden automatisch evaluiert und dabei ausgelöst, falls die entsprechenden Kontextbedingungen erfüllt sind. Die Datenerfassung und Bereitstellung von Kontextinformationen erfolgt dabei modularisiert. Es wurden vier beispielhafte Module entwickelt, um den Ort, die Herzfrequenz des Nutzers, ausgeübte Aktivitäten und die Umgebungslautstärke als Kontextinformationen bereitzustellen. Zudem wurde ein NativeScript-Modul entwickelt, das verschiedene Arten der Hintergrundausführung plattformunabhängig abstrahiert

Communication Infrastructure for high-dynamic Parallel Kinematic Machines

Ziel dieser Arbeit ist die Konzipierung, Realisierung und Erprobung einer zentral organisierten Kommunikations-Infrastruktur zur Unterstützung von Steuerungssystemen aus dem Bereich hochdynamischer Roboteranwendungen. Dabei erfolgt die Integration aller an der Steuerung beteiligten Softwaremodule über eine einheitliche, modulare und echtzeitfähige C-Programmierschnittstelle unter dem Betriebssystem QNX Neutrino. Hintergrund dieser Arbeit ist der Sonderforschungsbereich (SFB) 562, in dem methoden- und komponentenbezogene Grundlagen zum Entwurf von Parallelrobotern erarbeitet werden. Der Einsatz von Parallelrobotern stellt dabei hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Robotersteuerung: Kinematisch gekoppelte Strukturen und die bei ihrer Bewegung zu berücksichtigenden Bewegungs- und Orientierungs-Singularitäten führen zu einer Steigerung des Umfangs und der Komplexität notwendiger Steuerungsfunktionalitäten; struktur- und gelenkintegrierte Sensoren erhöhen das notwendige Datenaufkommen bei dem Versuch, die kinematische Komplexität zu reduzieren; Synchronisationsanforderungen der gekoppelten Achsantriebe erfordern reaktionsschnelle Kommunikationsmechanismen; zusätzliche Anforderungen an Platziergenauigkeit, Beschleunigung und Geschwindigkeit der Arbeitsplattform liegen weit oberhalb derer serieller Roboteranwendungen. Kommerziell verfügbare Lösung für eine derartige Steuerung existieren derzeit noch nicht oder nur mit Einschränkungen Gegenstand dieser Arbeit ist zunächst die Untersuchung grundlegender Mechanismen aus den Bereichen Softwaretechnologie und Kommunikationstechnik, um eine Auswahl zur Realisierung geeigneter Funktionalitäten für Prozessorganisation, Kommunikation, Synchronisation, Konfiguration und Darstellung hinsichtlich eines passenden Steuerungssystems zu treffen. Im Hauptteil der Arbeit erfolgt die detaillierte Konzipierung sowie die Erläuterung der vollständig in Hard- und Software umgesetzten Realisierung dieser Kommunikations-Infrastruktur. Sie besteht aus drei Hauptkomponenten: Middleware MiRPA-X, Kommunikationsprotokoll IAP und Kommunikationssystem FireWire (Standard IEEE 1394). Die Verbindung bildet eine leistungsfähige Plattform, um allen in der Steuerung verwendeten Funktionsmodulen zu jeder Zeit transparente, modulare, einheitliche und echtzeitfähige Kommunikations- und Synchronisationsmechanismen zur Verfügung stellen. Die Integration erfolgte dabei soweit möglich unter Verwendung von Standardkomponenten (PC-Hardware, Betriebssystem, Programmiersprache). Innerhalb des SFB hat sich der praktische Einsatz der hier erarbeiteten Lösung als essenzieller, unverzichtbarer Bestandteil der Steuerung gezeigt, so dass ein breiterer Einsatz dieser Infrastruktur innerhalb anderer PC-basierter Robotersteuerungen außerhalb des SFB denkbar und sinnvoll erscheint.The goal of this thesis is the concept development, implementation and testing of a centrally organized communication infrastructure. It aims to support the development of control systems for high-dynamic robot applications, and thus provides a uniform, modular and real-time capable application programming interface (API) for all software modules involved. The development and application is performed using the operating system QNX Neutrino together with C/C++ programming language. The background of this thesis is the Collaborative Research Center (CRS) 562. Here, foundations for the development of parallel kinematic machines (PKMs) are worked out regarding necessary methods and components. The application of PKMs make high demands on the performance of robot control: coupled kinematic structures together with resulting special singularities require more and efficient control functions for motion control; additional sensors (integrated within the robot structure) increase the necessary data traffic while aiming to reduce calculational complexity; requirements for the synchronisation of drives necessitate high-speed communication mechanisms. Additional requirements regard the performance of the overall robot system: positioning accuracy, acceleration and velocity of the robot end-effector, which are expected to outsell those realised with conventional (serial) robot structures. Commercially available solutions for control systems do not suit all of these demands which calls for a unique control system design from standard components (computer hardware, operating system, communication system and programming language). The object of this thesis is, at first, the examination of fundamental mechanisms from the domain of software and communication technology in order to select suitable mechanisms for process organisation, inter process communication, synchronisation, configuration and presentation of data flow. These are to be provided for the control function modules in a uniform way. In the main part of this thesis the concept of the communication infrastructure is introduced in detail as well as the overall description of its implementation in hardware and software. The infrastructure consists of three main components which work together as a functional unit: the middleware MiRPA-X, the communication protocol IAP and the FireWire communication system (IEEE 1394). They form an efficient framework in order to provide transparent, modular and uniform communication and synchronisation mechanisms for the development of powerful and real-time control functionality. Within the project work in the Collaborative Research Center this novel communication infrastructure proved of indispensable value. For other robot control systems outside the CRS, it should thus be considered when using standard components

Preemptive Multitasking auf FPGA-Prozessoren

In dieser Arbeit wird die Umsetzung eines multitaskingfähigen Betriebssystems für FPGA-Prozessoren vorgestellt. Mit diesem Betriebssystem ist es möglich, die Resource FPGA-Prozessor durch mehrere unabhängige Anwendungen gleichzeitig zu nutzen. Der wesentliche Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der schnellen Zustandsermittlung einer Schaltung auf dem FPGA-Baustein und zugleich mit der schnellen Zustandsrekonstruktion bei erneuter Ausführung der Schaltung auf dem FPGA-Prozessor. Basierend auf diesen grundlegenden Funktionen ist ein Betriebssystem entstanden, das sowohl effektiv als auch flexibel die Verarbeitung mehrerer unabhängiger Anwendungen auf verschiedenen FPGA-Prozessoren ermöglicht. Zur weiteren Steigerung der Leistungsfähigkeit wurde im Rahmen der Arbeit ein spezieller multitaskingunterstützender FPGA-Prozessor erstellt, der durch seinen Aufbau die Prozesswechselzeiten auf ein Minimum reduziert. Durch den neuartigen Aufbau dieses FPGA-Prozessors kann die Ausführung der Anwendungen nach neuen Modellen erfolgen, die durch parallel arbeitende Schritte den FPGA-Prozessor effektiver nutzen

Ein zielsystemidentischer Ansatz für das domänenspezifische Rapid Prototyping in der Informations- und Elektrotechnik

The systematic reuse of experiences and results gained during the development of production projects is possible by partitioning control system hardware and software, as well as by introducing appropriate interfaces. Suppliers will be able to share this yield of hardware and software components for example with vehicle manufacturers (OEMs). By sharing these components, suppliers will be able to share their experience and expertise gained through the development of production proven control systems without compromising their proprietary know- how. Thus OEMs and system suppliers can engage in efficient simultaneous component engineering. This approach will enable OEMs to quickly implement innovations within their own organizations and beat their competitors to the market. Furthermore, this reuse of experiences and results from production development facilitates and accelerates the creation of prototypes that are essentially identical to the target system and can therefore be readily used in the original environment. The development effort can thus be focused on new concepts and components, which in turn will enable a much earlier evaluation of feasibility and acceptance. Thus duplication and parallel development can be reduced to a minimum. Compared to traditional approaches, this approach will reduce overall development time. By using hardware with reconfigurable logic, rather than static hardware, modifications and extensions become possible and are easy and fast. Also, in traditional development, the decision as to where to implement a given function - in the microcontroller, in the reconfigurable logic or distributed between both units - has to be made very early, when not all information is available yet. Embedding the microcontroller in reconfigurable logic, however, lets developers postpone this decision until very late in development, when it can be made with much greater confidence. The functions realized in the reconfigurable logic can be used, for example, as executable specifications for ASIC (Application-specific Integrated Circuit) developments. The results obtained during development of the user software can be reused in the production system without much extra cost, since the user interface software accesses hardware drivers, service routines and the operating system via target system identical interfaces. Consistently using graphic development tools capable of automatic code generation for prototype and production systems, as well as other tools that can be used to automate manual, error-prone steps in the development process, will further reduce development time. This thesis describes target-identical domain-specific rapid prototyping using a development ECU for diesel engines as a sample application.In der vorliegenden Arbeit wird ein zielsystemidentischer Ansatz für das domänenspezifische Rapid Prototyping in der Informations- und Elektrotechnik vorgestellt. Dabei wird durch die Partionierung von Serienstrukturen sowohl der Hardware, als auch der Software, in unabhängige Teilkomponenten sowie der Einführung entsprechender Schnittstellen die Wiederverwendung von Erfahrungen aus Serienentwicklungen systematisch ermöglicht. Dadurch können, die bislang den Systemlieferanten vorbehaltenen Erfahrungen aus Serienentwicklungen in gut handhabbarer Form z.B. Fahrzeugherstellern (OEM) für Forschungs- und Entwicklungsaufgaben zur Verfügung gestellt werden, ohne dass die Systemlieferanten ihr Know-How offen legen müssen. Es wird damit eine effiziente Möglichkeit für das Simultaneous Engineering zwischen OEM und Systemlieferant ermöglicht. Des Weiteren kann mit Hilfe der Wiederverwendung von Erfahrungen aus Serienentwicklungen sehr schnell ein in wesentlichen Punkten mit dem Zielsystem identischer Prototyp erstellt und in der realen Umgebung eingesetzt werden. Der Entwicklungsaufwand kann damit auf neue Konzepte und Komponenten begrenzt und somit eine frühe Aussage über Realisierbarkeit und Akzeptanz getroffen werden. Dadurch lassen sich Doppel- und Parallelentwicklungen auf ein Minimum reduzieren und damit die Entwicklungszeit gegenüber traditionellen Verfahren deutlich verkürzen. Durch den Einsatz rekonfigurierbarer Logik wird es ermöglicht, Änderungen in der normalerweise statischen Hardware vorzunehmen. Zusätzlich kann durch Einbetten des Mikrocontrollers in die rekonfigurierbare Logik die normalerweise sehr früh zu treffende Entscheidung, ob eine Funktion im Mikrocontroller oder in der rekonfigurierbaren Logik realisiert werden soll, noch in sehr fortgeschrittenen Entwicklungsphasen beeinflusst werden. Die in der rekonfigurierbaren Logik umgesetzten Funktionen können anschließend als ausführbare Spezifikation für ASIC Entwicklungen verwendet werden. Die bei der Entwicklung der Anwendersoftware erzielten Ergebnisse können ohne großen Aufwand im Seriensystem weiterverwendet werden, da die Anwendersoftware nur über mit dem Zielsystem identische Schnittstellen auf Hardwaretreiber, Service Routinen sowie das Betriebssystem zugreift. Durch die Steigerung des Automatisierungsgrades z.B. mit Hilfe der Verwendung von grafischen Entwicklungswerkzeugen mit automatischer Codegenerierung können die Entwicklung beschleunigt, Fehlerquellen reduziert und somit die Qualität verbessert werden. Der in der vorliegenden Arbeit beschriebene zielsystemidentische Ansatz für das domänenspezifische Rapid Prototyping wird am Beispiel eines Entwicklungs-Steuergerätes für Dieselmotoren dargestellt

Zeitgenaue Simulation gemischt virtuell-realer Prototypen

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Regulation der hepatischen Mikrozirkulation bei schrittweiser Resektion im Rattenlebermodell

Background: I. Software- and hardwarelimitations of the orthogonal polarisation spectroscopy (OPS) imaging based videomicroscope (VM) CytoScan® A/R made microcirculation measuring in rat liver difficult. To terminate these limitations the video data processing of the VM has been thoroughly analysed. II. Liver resection with acute reduction of sinusoidal cross-section under steady blood flow causes prehepatically an inflow obstruction with acute portal hypertension together with hyperperfused sinusoids in the remnant liver. To determine the regulation of liver blood flow and sinusoidal microcirculation, the sinusoidal hyperperfusion in the same rat liver during stepwise resection has been analysed. Aims: I. Improvement of the measuring method by optimizing the acquisition and analysis of video data. II. Visualization and investigation of the hepatic microcirculation regulation during stepwise liver resection and extensive body circulation monitoring. Material & Methods: I. The actual state of the measuring method has been analysed and a customized state has been defined. The single aims and their adaptive strategies have been determined. II. Stepwise liver resection including caudate resection in the same rat liver (n=6) according to a new, vessel oriented resection technique (Madrahimov, N et al., 2006). The vital parameters have been measured after multiple vessel catheterisation, the microcirculation by means of OPS Imaging prior resection and after each resection step (n=6). The off-line analysis of the sinusoidal diameter SD and the intersinusoidal diameter ISD of midzonal sinusoids as well as the functional capillary density FCD of all perfused vessels has been performed. Results: I. The linkage of the VM with the outsourcing of the video data processing on an external, self-designed PC resulted in a visibly improved and accelerated data acquisition. The microcirculation analysis software of the VM has been replaced by an external and more powerful analysis software. II. Intraoperatively up to 70% partial hepatectomy, it has been detected a linear increasing hypovolemia of the body circulation with a decline of the arterial blood pressure and cava vein flow together with a relatively constant central vein pressure, cava vein pressure, heart and respiration frequency. The reduction of the sinusoidal cross-section led to a portal hypertension and a lowered liver perfusion. The microcirculation analysis revealed an initially low, however clearly increasing sinusoidal dilatation after 90% partial hepatectomy. The ISD decreased continuously with a constant mean FCD and an in each case enlarged standard deviation. Extended resection showed a higher number of inhomogeneously perfused liver lobules. Discussion & Conclusion: It is a known fact, that presinusoidal inlet sphincters are capable of regulating the sinusoidal perfusion. The strong sinusoidal dilatation after 90% partial hepatectomy can be most likely explained by a decompensation of this regulation

Virtual Java Machines for Small Embedded Systems

Die objektorientierte Programmiersprache Java ist auf eingebetteten Systemen noch nicht stark verbreitet, meist aus Kostengründen. Eine virtuelle Java Maschine erfordert normalerweise ein leistungsfähigeres System. Diese Arbeit befasst sich damit, Java auf besonders preiswerten 8-Bit-Mikrocontrollern auszuführen. Das eröffnet für Java die Welt der Messung, Steuerung und Regelung und verknüpft sie mit Benutzerinteraktion und Kommunikation. Java kann mit geringerem Programmieraufwand dazu beitragen, beispielsweise einen Haushalt zu steuern und zu überwachen. Für die speichereffiziente Umsetzung von Java werden einige Techniken evaluiert und auf einem Mikrocontroller (ST7) integriert. Mittels einer Vorverarbeitung von Java-Programmen und der virtuellen Maschine selbst auf einem Entwicklungssystem wird der Platzbedarf auf dem Zielsystem verringert. Geeignete Datenstrukturen und Klassenbibliotheken (API) belegen nur wenig Laufzeitspeicher mit Daten. Die Kombination von Java-Bytecode mit zielsystemabhängigen nativen Code ermöglicht die Ansteuerung von Peripheriekomponenten. Geeignete Zeitsteuerungen (zeitschrankenbasiertes Thread-Scheduling) machen Java auch für zeitkritische Anwendungen geeignet. Zusammen mit einer Software-Umgebung auf dem Entwicklungssystem entstand ein einsatzfähiges Java-System für einen Mikrocontroller. Die bei der Entwicklung dieser JavaVM gemachten Erfahrungen werden schließlich in neue Entwurfsverfahren zur Erstellung spezieller eingebetteter virtueller Maschinen umgesetzt. Dabei kommt ein vollständig in Java beschriebenes mehrschichtiges Modell zum Einsatz, das sich flexibel an verschiedene Zielsysteme anpassen lässt. Das Modell enthält die virtuelle Maschine bestehend aus Kern und Laufzeitbibliothek sowie eine allgemeine Anwendungsprogrammierschnittstelle. Erst Code-Generatoren fügen den zielsystemabhängigen nativen Code in das Modell ein.Java is an object oriented programming language. But mainly because of the costs it’s not widely used on embedded systems. Typical Java virtual machines require larger systems. This work aims for integration of Java on inexpensive 8-bit microcontrollers. This makes Java possible in the world of measurement, control and automation and allows the combination of control, user interaction and communication on a single system. E. g. Java can be used to enable home automation with less programming effort. To integrate Java on small embedded systems with low memory consumption, some techniques are explored and realized on a microcontroller (ST7). Due to preprocessing of Java programs and the virtual machine itself on a development system, the program memory allocation on the target system is reduced. Applicable data structures and class libraries (API) are designed to use as little data memory as possible. If Java bytecode is combined with the target system’s native code, peripheral components can be utilized. Furthermore deadline based thread scheduling can be used for time critical tasks. Together with a software environment for development systems this results in an operative Java system on a microcontroller. Experiences developing this JavaVM are now resulting to new development practices for creation of specialized embedded virtual machines. A completely Java based multilayered model is able to match various target systems. The model contains the virtual machine (kernel and runtime) and a generic application programming interface. Only at the end, code generators insert target system specific native code into the model

RESH. Rechnernetze als Supercomputer und Hochleistungsdatenbanken. Zwischenbericht Oktober 1998

Dieser Zwischenbericht stellt die Ergebnisse der Forschergruppe RESH im Zusammenhang dar, die in den ersten neun Monaten der Projektlaufzeit erarbeitet wurden. Dargestellt werden die Ergebnisse der einzelnen Teilprojekte sowie Ausblicke auf geplante weitere Arbeitseinheiten. Am 6. Oktober 1998 wurden diese Zwischenergebnisse in Kurzvorträgen vorgestellt, um die Aktivitäten der einzelnen Teilprojekte besser auf einander abzustimmen. Ebenfalls im Bericht enthalten sind die Poster, mit denen die Forschergruppe RESH anläßlich des Tags der Informatik am 6. November 1998 ihre Arbeit der interessierten Öffentlichkeit vorstellte