Effiziente externe Beobachtung von CPU-Aktivitäten auf SoCs

Die umfassende Beobachtbarkeit von System‐on‐Chips (SoCs) ist eine wichtige Voraussetzung für das effiziente Testen und Debuggen eingebetteter Systeme. Ausgehend von einer Analyse verschiedener Anwendungsfälle ergibt sich ein Katalog von Anforderungen an die Beobachtbarkeit von SoCs. Ein wichtiges Kriterium ist hier die Vollständigkeit der Beobachtung und umfasst die Aktivitäten der CPU (ausgeführte Instruktionen, gelesene und geschriebene Daten, Verhalten des Caches, Ausführungszeiten), des Bussystems und von Umgebungsbedingungen. Weitere Kriterien sind die Echtzeitfähigkeit und die Kontinuität der Beobachtung sowie die gleichzeitige Durchführung verschiedener Beobachtungsaufgaben. Dabei soll es zu einer möglichst geringen Beeinflussung des SoCs kommen. Weitere wichtige Aspekt sind die Kosten der Lösung, die Universalität, die Skalierbarkeit sowie die Latenz der Verfügbarkeit der Beobachtungsergebnisse. Für viele Anwendungen, besonders in sicherheitskritischen Bereichen, muss zudem nachgewiesen werden, dass das Beobachtungsverfahren kein Fehlverhalten des SoCs bewirkt bzw. ein solches maskiert. Eine besondere Herausforderung stellen Multiprozessor‐SoCs (MPSoCs) dar, da hier die Kommunikation zwischen den einzelnen CPUs im Inneren des SoC stattfindet und entsprechend schwierig für einen externen Bobachter sichtbar zu machen ist. Der Stand der Technik zur Beobachtung von SoCs wird im Wesentlichen durch zwei Verfahren dargestellt. Bei der Software‐Instrumentierung wird zum funktionalen Programmcode zusätzlicher Code hinzugefügt, welcher zur Beobachtung des Programms dient. Diese Methode ist einfach und universell anwendbar, erfüllt aber die genannten Kriterien nur sehr eingeschränkt. Nachteilig ist hier der Ressourcenverbrauch im Falle des Verbleibs der Instrumentierung im fertigen Produkt. Wird die Instrumentierung nur temporär dem Code hinzugefügt, muss sichergestellt werden, dass das Beobachtungsergebnis auch für den finalen Code anwendbar ist – was besonders bei ressourcen‐abhängigen Integrationstests nur schwierig erfüllbar ist. Eine alternative Lösung stellt eine spezielle Hardware‐Unterstützung in SoCs („embedded Trace“) dar. Hier werden im SoC Zustandsinformationen (z.B. Taskwechsel, ausgeführte Instruktionen, Datentransfers) gesammelt und mittels Trace‐Nachrichten an den Beobachter übermittelt. Dabei stellt die Bandbreite, die zur Ausgabe der Trace‐Nachrichten vom SoC verfügbar ist, ein entscheidendes Nadelöhr dar ‐ im SoC sind viel mehr den Beobachter interessierende Informationen verfügbar als nach außen transferiert werden können. Damit haben beide dem gegenwärtige Stand der Technik entsprechende Beobachtungsverfahren eine Reihe von Einschränkungen, die sich besonders bei der Vollständigkeit der Beobachtung, der Flexibilität, der Kontinuität und der Unterstützung von MPSoCs zeigen. In dieser Arbeit wird nun ein neuer Ansatz vorgestellt, welcher gegenüber dem Stand der Technik in einigen Bereichen deutliche Verbesserungen bietet. Dabei werden die Trace‐Daten nicht vom zu beobachtenden SoC direkt, sondern aus einer parallel mitlaufenden Emulation gewonnen. Die Bandbreite der für die Synchronisation der Emulation erforderlichen Daten ist in vielen Fällen deutlich geringer als bei der Ausgabe von umfassenden Trace‐Nachrichten mittels „embedded Trace“‐Lösungen. Gleichzeitig ist eine vollständige, äußerst detaillierte Beobachtung der Vorgänge innerhalb des SoC möglich. Das neue Beobachtungsverfahren wurde mittels verschiedener FPGA-basierter Implementierungen evaluiert, hier konnte auch die Anwendbarkeit für MPSoCs gezeigt werden

Extension and optimisation of a communication platform for pc-based control systems

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung und Optimierung einer Kommunikationsplattform für offene PC-basierte Steuerungssysteme für Parallelkinematiken und leistet einen Beitrag dazu, den Umsetzungsaufwand von Steuerungsapplikationen selbst in einer verteilten Umgebung zu reduzieren und gleichzeitig die Performanz und Zuverlässigkeit des Steuerungssystems zu steigern. In Gegensatz zu Seriellen Robotern bestehen Parallelkinematiken aus einer geschlossenen kinematischen Kette, bei dem der Manipulator über mehrere Führungsglieder mit den fest am Gestell montierten Antrieben verbunden ist. Begünstigt durch diese mechanische Struktur resultiert für jeden Antrieb eine gering zu bewegenden Masse pro Verfahrbewegung. Dies wiederum führt dazu, dass im Vergleich zu seriellen Robotern höhere Arbeits¬geschwin¬dig¬keiten und -beschleunigungen bei höherer Genauigkeit und Steifigkeit gefahren werden können. Neben einer Erhöhung der Performanz des Steuerungssystems liefert diese Arbeit die architekturspezifische Grundlage für die Integration von rechenaufwendigen parallelroboterspezifischen Besonderheiten in den Steuerungspfad. Weiterhin schafft diese Arbeit eine Plattform für die Implementierung und Ausführung von echtzeitfähigen verteilten Steuerungsapplikationen. Dafür wird die Middleware so erweitert, dass sie Anwenderapplikationen eine transparente Nutzung von Kommunikations¬mechanismen im verteilten System gewährleistet. Eine optimale Nutzung der verteilten Ressourcen wird durch die Integration eines Self-Managers in die Steuerungssofware erreicht. In diesem Zusammenhang wird im Rahmen dieser Arbeit eine Monitoring-Komponente in die Middleware integriert, die topologische und zeitliche Informationen über die Ausführung von Tasks im verteilten System zur Laufzeit ermittelt und dem Anwender bereitstellt.The present work covers the expansion and optimization of a communication platform designed for the implementation of an open and computer-based control system for parallel kinematics. This work helps to reduce the implementation cost of control applications and increases at the same time the performance of the control system. Unlike serial robots, the mechanical structure of a parallel kinematics consists of a closed kinematic chain. The manipulator is connected over many links to the drives mounted on the rack. Favored by this mechanical structure each drive has a reduced mass to move and therefore higher velocities and accelerations are achievable. In addition to the performance increase of the control system this work provides the architectural fundament for the integration of computationally intensive and parallel kinematics specific features in the control system. Furthermore, the present work provides a platform for the implementation and execution of real-time distributed control applications in both multi-core processors and computer network. In this context, the middleware is extended so that it ensures user applications a transparent using of communication mechanisms in the distributed systems. To ensure optimal use of the resources available in the distributed system a self-manager is integrated into the control system. The self-manager responds independently and efficiently to changes occurring in the system topology as well as to changing demands on the control. It automatically adjusts the distribution of the control modules at runtime. In order to achieve this, a monitoring component is integrated in the middleware. It determines and provides topological and temporal information about the execution of tasks in the distributed system at runtime

Automatische Performanzoptimierung paralleler Architekturen

Die Parallelisierung von Programmen und deren Optimierung stellen Software-Entwickler vor große Herausforderungen. Diese Arbeit befasst sich daher mit Problemstellungen im Bereich der automatischen Performanzoptimierung (Auto-Tuning) paralleler Architekturen. Hierzu wird ein Verfahren für den Entwurf paralleler optimierbarer Architekturen vorgestellt; das Konzept eines suchbasierten Auto-Tuners rundet die Arbeit ab. Die Evaluationsergebnisse erweisen sich als äußerst vielversprechend

Modelbased accounting and charging systems for digital products in the e-learning

In der Arbeit wurde ein Konzept entwickelt, das eine modellbasierte Betrachtung des Pricings digitaler Produkte ermöglicht

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

Generierung von effizienten Security-/Safety-Monitoren aus modellbasierten Beschreibungen

Computer werden heute zunehmend durch kleine Recheneinheiten mit Sensoren zur Erfassung der Außenwelt ergänzt. Diese Recheneinheiten kommunizieren untereinander und mit externen Einheiten, um Informationen weiterzugeben und sich untereinander abzustimmen. Hierdurch findet auch eine Öffnung von sicherheitskritischen eingebetteten Systemen nach außen statt. Die Systeme können nun entweder direkt oder indirekt über zusätzliche Einheiten angegriffen werden. Des Weiteren ist die auf eingebetteten Systemen eingesetzte Software durch beschränkte Ressourcen auf das Nötigste reduziert und bietet keine komplexen Sicherheitsmechanismen. Maßnahmen wie Testen von Software kann deren Fehlerfreiheit nicht sicherstellen. In realen Systemen ist zudem davon auszugehen, dass nicht bekannte Fehler existieren, die u.a. auch von Angreifern ausgenutzt werden können. Die Laufzeitüberwachung solcher Systeme hat sich als geeignet erwiesen, um auch unbekannte Angriffe und Fehler zu erkennen. Zur Spezifikation solcher Laufzeitmonitore über Beschreibungen (Signaturen) von erlaubtem und verbotenem Verhalten haben sich viele verschiedene Spezifikationssprachen herausgebildet. Diese basieren auf verschiedensten Modellierungskonzepten. Zur Generierung von Monitoren aus diesen Spezifikationen in Software und Hardware müssen für die unterschiedlichen Sprachen verschiedenste Codegeneratoren erstellt werden. Des Weiteren besitzen einige der gewöhnlich verwendeten einfach zu verstehenden Spezifikationssprachen keine formalisierte Syntax und Semantik. In dieser Arbeit wird zusammen mit [Pat14] der Model-based Security/Safety Monitor (MBSecMon)-Entwicklungsprozess vorgestellt. Dieser umfasst parallel zu dem eigentlichen Softwareentwicklungsprozess des zu überwachenden Systems die Spezifikation, die Generierung und die Einbindung von Laufzeitmonitoren. Ziel dieser Arbeit ist die Definition einer formal definierten Zwischensprache zur Repräsentation stark verschränkter nebenläufiger Kommunikationen. Zu ihrer Entwicklung werden Anforderungen basierend auf existierenden Arbeiten aufgestellt. Auf Grundlage dieser Anforderungen wird die Zwischensprache Monitor-Petrinetze (MPN) entworfen und formal definiert. Diese Zwischensprache unterstützt die Repräsentation von Signaturen, die in verschiedensten Spezifikationssprachen modelliert sind, und die Generierung von effizienten Laufzeitmonitoren für unterschiedliche Zielplattformen. Die MPNs sind ein auf Petrinetzen basierender Formalismus, der um Konzepte der Laufzeitüberwachung erweitert wurde. Es wird gezeigt, dass die MPN-Sprache alle ermittelten Anforderungen an eine solche Zwischensprache, bis auf ein Hierarchisierungskonzept für Ereignisse, das in dieser Arbeit nicht behandelt wird, erfüllt. Die MPN-Sprache wird in einem prototypischen Werkzeug zur Monitorgenerierung eingesetzt. Dieses unterstützt die MBSecMon-Spezifikationssprache [Pat14] als Eingabesprache und verwendet die MPN-Sprache als Zwischenrepräsentation zur Monitorgenerierung für verschiedenste Plattformen und Zielsprachen. Die generierten Monitore werden auf ihr Laufzeitverhalten und ihren Speicherverbrauch evaluiert. Es hat sich gezeigt, dass sich die MPN-Sprache trotz ihrer hohen Ausdrucksstärke zur einfachen Generierung effizienter Laufzeitmonitore für verschiedenste Plattformen und Zielsprachen eignet

Smarte Sicherungslogik für das Stellwerk der nächsten Generation

Kapazitätssteigerungen, eine höhere Pünktlichkeit und eine Steigerung der Rollout-Geschwindigkeit von innovativen Technologien im Bereich der Leit- und Sicherungstechnik gehören zu den zentralen Herausforderungen, vor denen die Eisenbahn als Kernbaustein einer nachhaltigen Mobilität steht. Hierzu wird medial und auch in der Fachwelt der Einführung des Europäischen Zugbeeinflussungssystems ETCS eine wichtige Rolle zugesprochen. Erste Praxiserfahrungen zeigen jedoch, dass die isolierte Einführung von ETCS zur Erzielung der gewünschten positiven Effekte auf den Eisenbahnbetrieb nicht ausreichend ist. Stattdessen muss die Leit- und Sicherungstechnik im Systemverbund weiterentwickelt werden. Neben beispielsweise einer hinreichend genauen Ortung und einer leistungsfähigen Kommunikationstechnologie ist auch eine optimierte Sicherungslogik im Stellwerk, die optimal auf die Anforderung der zukünftigen Systemlandschaft abgestimmt ist, von zentraler Bedeutung. Die Sicherungslogik ist dabei für die sichere und effiziente Zuweisung von Infrastrukturressourcen an Zugfahrten verantwortlich und überwacht sicherheitskritische Zustandsänderungen auf Seiten der Eisenbahninfrastruktur. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde ein Ansatz für eine solche „smarte“ Sicherungslogik unter der Bezeichnung „smartLogic“ von Grund auf (Grüne Wiese) systematisch entwickelt. Die smartLogic basiert dabei auf einem generischen und topologieunabhängigen Ansatz, der es unter anderem ermöglicht, Gleise in beliebiger Ausdehnung zu belegen und freizugeben, zusätzliche Sicherheitsanforderungen zur Laufzeit der Sicherungslogik in die Logik zu integrieren und auf Basis der zur Verfügung stehenden Informationen über die aktuelle Betriebssituation risikobasiert über die Zulassung von Zugfahrten zu entscheiden. Parallel zur Arbeit ist eine pretotypische Software-Implementierung der smartLogic im Eisenbahnbetriebsfeld Darmstadt entstanden. Erste Kapazitätsuntersuchungen unter deren Nutzung zeigen, dass signifikante Zeiteinsparungen durch die smartLogic erzielbar sind, die zu einer deutlichen Erhöhung der Kapazität oder der Pünktlichkeit, insbesondere in Knotenbereichen, beitragen können

Multikonferenz Wirtschaftsinformatik (MKWI) 2016: Technische Universität Ilmenau, 09. - 11. März 2016; Band II

Übersicht der Teilkonferenzen Band II • eHealth as a Service – Innovationen für Prävention, Versorgung und Forschung • Einsatz von Unternehmenssoftware in der Lehre • Energieinformatik, Erneuerbare Energien und Neue Mobilität • Hedonische Informationssysteme • IKT-gestütztes betriebliches Umwelt- und Nachhaltigkeitsmanagement • Informationssysteme in der Finanzwirtschaft • IT- und Software-Produktmanagement in Internet-of-Things-basierten Infrastrukturen • IT-Beratung im Kontext digitaler Transformation • IT-Sicherheit für Kritische Infrastrukturen • Modellierung betrieblicher Informationssysteme – Konzeptuelle Modelle im Zeitalter der digitalisierten Wirtschaft (d!conomy) • Prescriptive Analytics in I