Konzept und Evaluation eines phasenorientierten hierarchischen und asynchronen Multi-Core Schedulers für Software-Echtzeitsysteme

Im Flugzeug und im Automobil werden dem Piloten bzw. dem Fahrer immer mehr softwarebasierte Funktionen zur Verfügung gestellt. Dieser stetige Anstieg an Softwarefunktionen resultiert in einer steigenden Anzahl an dafür benötigten Steuergeräten. Als Kostenreduktion werden bereits heute Multicore-Prozessoren verwendet, auf welchen anschließend die entsprechenden Funktionen integriert (Hochintegration) werden. Um den Nutzungsgrad eines Multicore-Prozessors weiter zu verbessern, ist eine Alternative zu den bislang statisch konfigurierten Softwaresystemen erforderlich. Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit, bildet die Überlegung, dass viele Zusatzfunktionen während der Fahrt oder dem Flug nur phasenweise aktiv sind. Diese Arbeit beschreibt ein Konzept eines zur Laufzeit rekonfigurierbares Softwaresystem für Multicore-Embedded-Steuergeräte und dessen Referenzimplementierung. Durch die Berücksichtigung der phasenabhängigen Rechenzeit der ausgeführten Funktionen kann durch das beschriebene Konzept der Nutzungsgrad der Rechenleistung von hochintegrierten Steuergeräten weiter gesteigert werden.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Praktisches Beispiel zur Verdeutlichung der Motivation 1.3 Zielsetzung 1.4 Aufbau der Arbeit 1.5 Zusammenfassung 2 Grundlagen 2.1 Eingebettete Steuergeräte 2.2 System Modell 2.3 Scheduling in Echtzeitsystemen 2.4 Knowledgebase 2.5 Linux für Echtzeitsysteme 3 Analyse der Zieldomänen und der Forschung 3.1 Stand der Technik 3.2 Stand der Forschung 3.3 Zusammenfassung 4 Anforderungen und Grundlagen von HAMS 4.1 Situationsanalyse der Zieldomänen 4.2 Anforderungen und Einschränkungen des HAMS-Konzepts 4.3 Phasen in Echtzeitsystemen 4.4 Zusammenfassung 5 Hierarchischer Aufbau der HAMS-Komponenten 5.1 Übersicht der HAMS-Komponenten 5.2 Second Level Scheduler (SLS) 5.3 First Level Scheduler (FLS) 5.4 HAMS Kommunikations API (HAPI) 5.5 Tasks in HAMS 5.6 Zusammenfassung 6 HAMS-Laufzeitumgebung und dessen dynamische Rekonfiguration 6.1 Systemmodi während der Laufzeit 6.2 Dynamische Rekonfiguration in HAMS 6.3 Fehlerbehandlung 6.4 Zusammenfassung 7 Implementierung und Evaluationsumgebung 7.1 Evaluations-Hardware 7.2 Eingliederung von HAMS in Linux 7.3 Eingliederung der HAPI in das Privilegstufenmanagement von Linux 7.4 Laufzeitmessungen für Evaluationszwecke 7.5 HAMS-Simulationstasks 7.6 Bestimmung der Rechenzeitbelastung durch HAMS 7.7 Zusammenfassung 8 Evaluierung 8.1 Evaluations-Konfiguration 8.2 Evaluation 1: Statisches Scheduling und HAMS 8.3 Evaluation 2: Ereignisverarbeitung mit Phasenwechsel 8.4 Evaluation 3 : Wechsel der aktuellen Konfiguration zur Laufzeit 8.5 Evaluations-Zusammenfassung 9 Zusammenfassun

Situationsbasiertes Scheduling von Echtzeit-Tasks in verteilten eingebetteten Systemen

Die Anforderungen an die verfügbare Rechenkapazität von Steuergeräten in der Automotive und Avionik-Domäne steigen kontinuierlich an. Dieser Anstieg ist auf die steigende Bedeutung von softwarebasierten Funktionen zurückzuführen, sowie auf die damit einhergehende steigende Anzahl und Komplexität der softwarebasierten Funktionen. In dieser Dissertation wird die Berücksichtigung der Situation (z. B. die geographische Position oder die Geschwindigkeit) als ein möglicher Ansatz beschrieben, um den steigenden Bedarf an Rechenkapazität der softwarebasierten Funktionen zu decken. Die benötigte Rechenkapazität einer softwarebasierten Funktion verändert sich in Abhängigkeit von der momentanen Situation. Durch die Berücksichtigung der Situation bei der Verteilung der Rechenkapazitäten entstehen freie Rechenkapazitäten, welche durch komplementäre softwarebasierte Funktion verwendet werden können. Die Zielsetzung dieser Dissertation ist es, eine situationsbasierte Verteilung der Rechenkapazität auf die softwarebasierten Funktionen des verteilen eingebetteten Systems zu erreichen.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielsetzung 1.3 Struktur der Arbeit 1.4 Zusammenfassung 2 Grundlagen 2.1 Situationsbasierte Systeme 2.2 Eingebettete verteilte Systeme 2.2.1 Architektur 2.2.2 Echtzeit-Tasks 2.2.3 Echtzeit-Scheduling 2.2.4 Echtzeit-Kommunikation 2.2.5 Steuergeräte der Zieldomänen 2.3 Prozessmigration in verteilten Systemen 2.3.1 Prozesssegmente 2.3.2 Möglichkeiten der Prozessmigration 2.4 Application checkpointing 2.5 Zusammenfassung 3 Stand der Forschung 3.1 Situationsbasiertes Scheduling für eingebettete verteilte Systeme 3.1.1 Semi-Statische Systeme 3.1.2 Dynamische Systeme 3.2 Situationsbasiertes Scheduling für Multi-Core Systeme 3.2.1 Situationen in HAMS 3.2.2 HAMS Architektur 3.2.3 Wissensdatenbank 3.3 Semi-Statische Netzwerkkonfiguration 3.4 Zusammenfassung 4 Situationsbasiertes Scheduling in verteilten eingebetteten Systemen 4.1 Analyse der Zielsetzung 4.2 Technische Ziele 4.3 SiVES-Sched Konzept 4.3.1 Erweiterter HAMS 4.3.2 Situations-Wissensdatenbank 4.3.3 TLS Master 4.3.4 Task-Migration 4.3.5 TLS Slave 4.3.6 Software Defined Network 4.3.7 TLS-KM 4.4 Zusammenfassung 5 Evaluation 5.1 Konzept der Evaluation 5.2 Evaluationsumgebung 5.2.1 Hardwareumgebung 5.2.2 Softwareumgebung 5.3 Rekonfiguration des verteilten eingebetteten Systems 5.3.1 Evaluation I: Erstellung der SWDB 5.3.2 Evaluation II: Durchführung der Rekonfiguration 5.3.3 Evaluation III: Dauer des kritischen Abschnitts 5.3.4 Evaluation IV: Vermeidung von Informationsverlust 5.4 Zusammenfassung 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Ergebnisse dieser Arbeit 6.1.1 Konzept 6.1.2 Evaluation 6.2 Ausblick 7 Appendix Literaturverzeichnis Nomenklatur Thesen Eigene Veröffentlichunge