On static execution-time analysis

Proving timeliness is an integral part of the verification of safety-critical real-time systems. To this end, timing analysis computes upper bounds on the execution times of programs that execute on a given hardware platform. Modern hardware platforms commonly exhibit counter-intuitive timing behaviour: a locally slower execution can lead to a faster overall execution. Such behaviour challenges efficient timing analysis. In this work, we present and discuss a hardware design, the strictly in-order pipeline, that behaves monotonically w.r.t. the progress of a program's execution. Based on monotonicity, we prove the absence of the aforementioned counter-intuitive behaviour. At least since multi-core processors have emerged, timing analysis separates concerns by analysing different aspects of the system's timing behaviour individually. In this work, we validate the underlying assumption that a timing bound can be soundly composed from individual contributions. We show that even simple processors exhibit counter-intuitive behaviour - a locally slow execution can lead to an even slower overall execution - that impedes the soundness of the composition. We present the compositional base bound analysis that accounts for any such amplifying effects within its timing contribution. This enables a sound compositional analysis even for complex processors. Furthermore, we discuss hardware modifications that enable efficient compositional analyses.Echtzeitsysteme müssen unter allen Umständen beweisbar pünktlich arbeiten. Zum Beweis errechnet die Zeitanalyse obere Schranken der für die Ausführung von Programmen auf einer Hardware-Plattform benötigten Zeit. Moderne Hardware-Plattformen sind bekannt für unerwartetes Zeitverhalten bei dem eine lokale Verzögerung in einer global schnelleren Ausführung resultiert. Solches Zeitverhalten erschwert eine effiziente Analyse. Im Rahmen dieser Arbeit diskutieren wir das Design eines Prozessors mit eingeschränkter Fließbandverarbeitung (strictly in-order pipeline), der sich bzgl. des Fortschritts einer Programmausführung monoton verhält. Wir beweisen, dass Monotonie das oben genannte unerwartete Zeitverhalten verhindert. Spätestens seit dem Einsatz von Mehrkernprozessoren besteht die Zeitanalyse aus einzelnen Teilanalysen welche nur bestimmte Aspekte des Zeitverhaltens betrachten. Eine zentrale Annahme ist hierbei, dass sich die Teilergebnisse zu einer korrekten Zeitschranke zusammensetzen lassen. Im Rahmen dieser Arbeit zeigen wir, dass diese Annahme selbst für einfache Prozessoren ungültig ist, da eine lokale Verzögerung zu einer noch größeren globalen Verzögerung führen kann. Für bestehende Prozessoren entwickeln wir eine neuartige Teilanalyse, die solche verstärkenden Effekte berücksichtigt und somit eine korrekte Komposition von Teilergebnissen erlaubt. Für zukünftige Prozessoren beschreiben wir Modifikationen, die eine deutlich effizientere Zeitanalyse ermöglichen

Reconfiguration of legacy software artifacts in resource constraint embedded systems

Hochgradig ressourcenbeschränkte eingebettete Systeme befinden sich überall. Einige dieser Systeme befinden sich in Smart-Phones oder elektronischen Kontroll-Einheiten, andere in Sensor-Netzwerken oder auch Smart-Cards. Gerade die zuletzt genannten gehören zu den in Bezug auf Prozessorleistung und Speicherplatz am meist beschränkten Systemen. Um bei gleicher Ressourcenauslastung mehr Funktionalität bereitzustellen führt diese Arbeit ein Verfahren ein, welche es erlaubt durch Rekonfigurationstechniken dieses Problem zu lösen. Im Gegensatz zu traditionellen Verwendungszwecken von Rekonfigurationstechniken wird in dieser Arbeit Rekonfiguration zur Reduktion der Anwendungsgröße verwendet. Heutige Architekturen, welche Rekonfiguration ermöglichen, basieren auf der Unterstützung dieser Mechanismen auf Entwurfs- bzw. Source-Code Ebene. Software Lösungen basieren jedoch zum großen Teil auf wiederverwertbaren Bibliotheken oder Drittanbieter-Komponenten, welche keine Unterstützung von Rekonfiguration mit sich bringen und zumeist im Binärformat vorliegen. Diese Arbeit stellt eine Methode vor, um ein existierendes System unter Verwendung von Binärcode automatisch in ein rekonfigurierbares System umzuwandeln, mit dem Ziel die Anwendungsgröße zuverringern und dabei weiterhin harten Echtzeitbedingungen zu genügen. Das Verfahren basiert auf der Verwendung von Binärcode-Analyse Techniken zur Rekonstruktion der Anwendungssemantik, welche es erlauben dem Benutzer durch Bedingungen in einer Hochsprache Komponenten aus der Anwendungen zu extrahieren. Diese Komponenten werden anschließend optimiert. Mit dem Verfahren ist es möglich nicht rekonfigurierbare binäre Softwaresysteme in rekonfigurierbare Systeme umzuwandeln, welche die Anwendungsgröße reduzieren und dabei harte Echtzeit-Bedingungen erfüllen.Highly resource-constrained embedded systems are everywhere. Some of them can be found inside smartphones, electronic control units, others in wireless sensor networks or smart cards. The last two systems are among the most restrictive ones in the sense of processing power, energy consumption and memory availability. Pricing policies often lead to a reduction in software functionality as cheaper hardware with less resources is demanded for the final product. In order to allow more complex software to run on such constrained systems, this thesis proposes the use of software reconfiguration. In contrast to traditional uses of reconfiguration this thesis proposes the use of reconfiguration mechanisms in order to reduce the footprint of an deeply embedded application while maintaining real-time constraints. Todays adaptable architectures require the support of reconfigurability and adaptability at design level. However, modern software products are often constructed out of reusable but non-adaptable legacy software artifacts to meet early time-to-market requirements. This thesis proposes a methodology to semiautomatically use existing binaries in a reconfigurable manner. It is based on using binary analysis techniques to reconstruct the semantics of the binary application in order to allow the system developer to select meaningful code parts as components from the binary code. Using a set of high level constraints the user is able to extract components from the binary application. These components are then subject to a design space exploration step, which optimizes the resulting reconfigurable system regarding parameters as, e.g., worst case blocking time and flash lifetime. With this approach, reconfiguration can be added with a low effort to non-adaptive binary software in order to decrease the footprint of the application while maintaining real-time constraints.Tag der Verteidigung: 05.04.2013Paderborn, Univ., Diss., 201