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

Netzwerk-Management und Hochgeschwindigkeits- Kommunikation. Teil XII

Der vorliegende interne Bericht enthält die Beiträge zum Seminar "Netzwerkmanagement und Hochgeschwindigkeitskommunikation", das im Sommersemester 1995 zum zwölften Mal abgehalten wurde. Entsprechend dem Titel ist der Band in zwei Teile gegliedert. In dem Teil "Netzwerkmanagement" werden in den ersten beiden Kapiteln Fragen der MIB-Implementierung behandelt. Die beiden folgenden Beiträge führen in Problemstellungen der Verwaltung verteilter Anendungen ein und stellen jeweils Forschungsergebnisse aus aktuellen Veröffentlichungen vor. Das letzte Kapitel dieses Teils führt in das Konzept des "Network Managemen by Delegation" ein. Der zweite Teil des Seminars befaßt sich mit aktuellen Fragestellungen zum Bereich "Hochgeschwindigkeitskommunikation", insbesondere zu ATM und FDDI. Die ersten beiden Beiträge widmen sich dem Einsatz von Vorwärts- fehlerkorrekturverfahren und der Diskussion zweier Signalisierungsprotokolle in ATM-Netzen. Es folgen eine Vorstellung von Mechanismen zur Bereitstellung eines verbindungslosen Dienstes sowie von Verfahren zur kreditbasierten Flußkontrolle, beide ebenfalls im Bereich ATM-Netze. Die darauffolgenden Beiträge diskutieren Mechanismen zur effizienteren Implementierung von Protokollfunktionen sowie Ansatzpunkte für ein mögliches Hardware/ Software Codesign. Das Seminar schließt mit Abhandlungen über Verfahren zur Regelung der Nutzungskontrolle von Diensten in ATM-Netzen und einer Beschreibung des GIGASwitch/FDDI-Systems

A Many-Core Platform with Run-Time Monitoring to Support Separation of Mixed-Criticality Applications

Mehr- und Vielkernplattformen bieten ausreichend Ressourcen für eine weitere Steigerung der Rechenleistung, zum einen für aufwendigere Anwendungen und zum anderen für die Integration mehrerer Anwendungen, welche sonst auf mehreren separaten Plattformen ausgeführt würden. Die große Anzahl an Ressourcen kann weiterhin dafür verwendet werden, einer Anwendung mehr Ressourcen als nötig redundant zuzuweisen oder zunächst unbenutzte Komponenten dazu zu verwenden, fehlerhafte Komponenten zur Laufzeit zu ersetzen, um so die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Anwendungen zu erhöhen. Hierfür muss eine Vielkernplattform eine transparente und flexible Zuordnung von Anwendungen erlauben, welche sich auch zur Laufzeit ändern lässt. Dasselbe gilt für die Kommunikationsverbindungen der Anwendungen mit verteilten Komponenten. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine parametrisierbare und synthetisierbare Vielkernplattform, welche die genannten Bedingungen durch Virtualisierung erfüllt. Weiterhin bietet die Plattform Mechanismen zur Separierung unterschiedlich kritischer Anwendungen. Ohne eine ausreichende Separierung müssen alle Anwendungen die Anforderungen der Anwendung mit der höchsten Kritikalität erfüllen. Dies würde den Aufwand für weniger kritische Anwendungen stark erhöhen. Eine ausreichende Separierung ermöglicht die unabhängige Entwicklung und Zertifizierung einzelner Anwendungen. Die Separierung betrifft hierbei nicht nur die Unabhängigkeit einzelner Anwendungen in Bezug auf ihr Zeitverhalten und ihren Raumbedarf, sondern muss auch auf ihren Energieverbrauch erweitert werden, da die verfügbare Energie ebenfalls von allen Anwendungen gemeinsam genutzt wird. Ein erhöhter Energieverbrauch einer Anwendung kann die verfügbare Energie für andere Anwendungen einschränken und durch eine erhöhte thermische Belastung die Verfügbarkeit und Lebensdauer des gesamten Chips reduzieren. Neben der statischen Separierung durch eine exklusive Zuweisung von Ressourcen bietet die Plattform eine skalierbare Laufzeitüberwachung mit einer kurzen Reaktionszeit, welche eine sichere und effiziente gemeinsame Nutzung von Ressourcen erlaubt. Die Laufzeitüberwachung ermöglicht die Überwachung des spezifizierten Verhaltens einzelner Anwendungen und kann dieses bei Bedarf zur Laufzeit erzwingen. Insgesamt ist die Arbeit ein weiterer Schritt, um Vielkernplattformen für unterschiedlich kritische Anwendungen effizient nutzbar zu machen.Modern multi- and many-core platforms offer sufficient resources for further increasing the performance of advanced applications. Moreover they allow integrating multiple applications that formerly ran on multiple chips. The large amount of resources can additionally be used to map applications redundantly to more resources than required to increase reliability. Spare parts can be used to replace faulty components at run time for higher availability. A suitable platform must allow remapping of applications and replacement of peripherals dynamically. Mapping to distributed resources but also communication among resources ideally is transparent and flexible to allow changes at run time. In this thesis, a parameterizable and synthesizable many-core platform is presented, which realizes the requirements above by virtualizing all resources that are available on the platform. The platform is used as a research vehicle to develop mechanisms for separating applications of different criticalities on a shared platform. On a many-core platform that runs mixed-criticality applications, all applications have to be sufficiently separated. Otherwise all applications have to fulfill the requirements of the highest level of criticality, even low critical ones. This would significantly increase the costs of a shared platform. Separation enables individual development and certification of applications and cost-efficient recertification of single applications after an update. Separation does not only include independence in terms of time and space, but also in terms of power consumption as the available energy for a many-core system is shared between all running applications. Increased power consumption of one application may reduce the available energy for other applications or the reliability and lifetime of the complete chip. Beside static separation of mixed-criticality applications by assigning them to separate resources, a fast and scalable monitoring and control mechanism allows safe and efficient sharing of resources by enforcing specified behavior of applications at run time. All in all, this thesisÕ contribution is a step towards exploiting the benefits of multi- and many-core platforms for mixed-criticality applications