Guest Editorial - Special Section on In-vehicle Embedded Systems

International audienceThis Special Section on “In-Vehicle Embedded Systems” presents four papers that deal with relevant aspects pertaining to the topics highlighted above, covering a spectrum of topics, ranging from schedulability and real-time Quality of Service analysis, thanks to deterministic as well to stochastic approaches, to the composability issues when components provided by different partners are to be integrated or when the designer wants to obtain preliminary results on end-to-end response time during earlier phases of the design process

Design and implementation of WCET analyses : including a case study on multi-core processors with shared buses

For safety-critical real-time embedded systems, the worst-case execution time (WCET) analysis — determining an upper bound on the possible execution times of a program — is an important part of the system verification. Multi-core processors share resources (e.g. buses and caches) between multiple processor cores and, thus, complicate the WCET analysis as the execution times of a program executed on one processor core significantly depend on the programs executed in parallel on the concurrent cores. We refer to this phenomenon as shared-resource interference. This thesis proposes a novel way of modeling shared-resource interference during WCET analysis. It enables an efficient analysis — as it only considers one processor core at a time — and it is sound for hardware platforms exhibiting timing anomalies. Moreover, this thesis demonstrates how to realize a timing-compositional verification on top of the proposed modeling scheme. In this way, this thesis closes the gap between modern hardware platforms, which exhibit timing anomalies, and existing schedulability analyses, which rely on timing compositionality. In addition, this thesis proposes a novel method for calculating an upper bound on the amount of interference that a given processor core can generate in any time interval of at most a given length. Our experiments demonstrate that the novel method is more precise than existing methods.Die Analyse der maximalen Ausführungszeit (Worst-Case-Execution-Time-Analyse, WCET-Analyse) ist für eingebettete Echtzeit-Computer-Systeme in sicherheitskritischen Anwendungsbereichen unerlässlich. Mehrkernprozessoren erschweren die WCET-Analyse, da einige ihrer Hardware-Komponenten von mehreren Prozessorkernen gemeinsam genutzt werden und die Ausführungszeit eines Programmes somit vom Verhalten mehrerer Kerne abhängt. Wir bezeichnen dies als Interferenz durch gemeinsam genutzte Komponenten. Die vorliegende Arbeit schlägt eine neuartige Modellierung dieser Interferenz während der WCET-Analyse vor. Der vorgestellte Ansatz ist effizient und führt auch für Computer-Systeme mit Zeitanomalien zu korrekten Ergebnissen. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie ein zeitkompositionales Verfahren auf Basis der vorgestellten Modellierung umgesetzt werden kann. Auf diese Weise schließt diese Arbeit die Lücke zwischen modernen Mikroarchitekturen, die Zeitanomalien aufweisen, und den existierenden Planbarkeitsanalysen, die sich alle auf die Kompositionalität des Zeitverhaltens verlassen. Außerdem stellt die vorliegende Arbeit ein neues Verfahren zur Berechnung einer oberen Schranke der Menge an Interferenz vor, die ein bestimmter Prozessorkern in einem beliebigen Zeitintervall einer gegebenen Länge höchstens erzeugen kann. Unsere Experimente zeigen, dass das vorgestellte Berechnungsverfahren präziser ist als die existierenden Verfahren.Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) as part of the Transregional Collaborative Research Centre SFB/TR 14 (AVACS

Performanzanalyse für Multi-Core Multi-Mode Systeme mit gemeinsam genutzten Ressourcen - Verfahren und Anwendung auf AUTOSAR -

In order to implement multi-core systems for single-mode and multi-mode real-time applications, as can be found in modern automobiles, their development process requires appropriate methods and tools for timing and performance verification. In this context, this thesis proposes first novel approaches for the analysis of worst-case blocking-times and response-times for single-mode real-time applications that share resources in partitioned multi-core systems. For this purpose a compositional performance analysis methodology is adopted and extended to take into account the contention of tasks on the processor cores and on the shared resources under different combinations of processor scheduling policies and shared resource arbitration strategies. Highly relevant is the compatibility of the proposed analysis methods with the specifications of the automotive AUTOSAR standard, which defines the combination of (1) preemptive, non-preemptive and cooperative core local scheduling with (2) lock-based arbitration of core local shared resources and spinlock-based arbitration of inter-core shared resources. Further, this thesis proposes novel timing analysis solutions for multi-mode distributed real-time systems. For such systems, the settling time of a mode change, called mode change transition latency, is identified as an important system parameter that has been neglected before. This thesis contributes a novel analysis algorithm which gives a maximum bound on each mode change transition latency of multi-mode distributed applications. Knowing the settling time of each mode change, the impact of multiple mode changes and of the possible overload situations can be handled in the early development phases of real-time systems. Finally, an approach for safely handling shared resources across mode changes is presented and a corresponding timing analysis method is contributed. The new analysis solution combines modeling and analysis elements of the multi-core and multi-mode related analysis solutions and focuses on the specification of the AUTOSAR standard. This enables system designers to handle the timing behavior of more complex systems in which the problems of mode management, multi-core scheduling and shared resource arbitration coexist. The applicability and usefulness of the contributed analysis solutions are highlighted by experimental evaluations, which are enabled by the implementation of the proposed analysis methods in a performance analysis tool framework.Um Multicore-Systeme für die Umsetzung zeitkritischer Single- und Multi-Mode Anwendungen in sicherheitskritischen Umgebungen einsetzen zu können, werden in dem Entwicklungsprozess geeignete Analysemethoden und Tools zur Bestimmung des Zeitverhaltens und der Performanz benötigt. Als erster Beitrag dieser Dissertation werden neue Analyseverfahren eingeführt, um die Worst-Case-Antwortzeiten und -Blockierungszeiten für statische Echtzeitanwendungen in Single-Mode eingebetteten Multicore-Systemen mit gemeinsam genutzten Ressourcen zu bestimmen. Die entwickelten Verfahren nutzen einen existierenden kompositionellen Performanzanalyseansatz und erweitern diesen, um verschiedene Kombinationen von partitionierenden Multiprozessor-Schedulingverfahren und –Synchronisationsmechanismen behandeln zu können. Besonders praxisrelevant ist die Möglichkeit, die Kombination von (1) preemptives, nicht-preemptives sowie kooperatives Prozessor-Scheduling und (2) Spinlock-basierten Synchronisationsmechanismen zu analysieren, die heute in AUTOSAR-konformen Automotive-Softwarearchitekturen standardisiert sind. Als zweiter Beitrag wird in dieser Dissertation ein neuer Ansatz für die Analyse der zeitlichen Auswirkungen von mehreren Szenarienübergängen in vernetzten Multi-Mode eingebetteten Systemen eingeführt. Als erste konstruktive Maßnahme ermöglicht das in dieser Arbeit präsentierte Verfahren die Berechnung der Einschwingzeit jedes Szenarioübergangs und leistet dadurch eine wichtige Hilfestellung beim Systementwurf. Auf diese Weise können die Auswirkungen der Szenarienübergänge, einschließlich der zeitlich begrenzten Überlastsituationen, kontrolliert und in den Systementwurf frühzeitig einbezogen werden. Als letzter Beitrag dieser Dissertation wird ein Ansatz für die Handhabung der Zugriffskonflikte auf gemeinsam genutzten Ressourcen in Multi-Mode eingebetteten Multicore-Systemen präsentiert und eine entsprechende Analysemethode eingeführt. Die neue Analyse kombiniert Modellierungs- und Analyse-Elemente der vorher in dieser Arbeit eingeführten Analyseansätze, und ermöglicht die Untersuchung des ungünstigsten Zeitverhaltens viel komplexer eingebetteten Multicore-Systemen. Dabei werden erneut Spezifikationen der AUTOSAR-Standards berücksichtigt. Nicht zuletzt werden alle Analysemethoden in eine Toolumgebung implementiert und für verschiedene Experimente, die deren praktische Anwendbarkeit hervorheben, angewendet