Non-Preemptive Scheduling of Periodic Mixed-Criticality Real-Time Systems

In this work we develop an offline analysis of periodic mixed-criticality real-time systems. We develop a graph-based exploratory method to non-preemptively schedule multiple criticality tasks. The exploration process obtains a schedule for each periodic instance of the tasks. The schedule adjusts for criticality mode changes to maximize the resource usage by allowing lower criticality executions. At the same time, it ensures that the schedulability of other higher criticality jobs is never compromised. We also quantify the probabilities associated to a criticality mode change by using task probabilistic Worst Case Execution Times. A method to reduce the offline complexity is also proposed.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Timing in Technischen Sicherheitsanforderungen für Systementwürfe mit heterogenen Kritikalitätsanforderungen

Traditionally, timing requirements as (technical) safety requirements have been avoided through clever functional designs. New vehicle automation concepts and other applications, however, make this harder or even impossible and challenge design automation for cyber-physical systems to provide a solution. This thesis takes upon this challenge by introducing cross-layer dependency analysis to relate timing dependencies in the bounded execution time (BET) model to the functional model of the artifact. In doing so, the analysis is able to reveal where timing dependencies may violate freedom from interference requirements on the functional layer and other intermediate model layers. For design automation this leaves the challenge how such dependencies are avoided or at least be bounded such that the design is feasible: The results are synthesis strategies for implementation requirements and a system-level placement strategy for run-time measures to avoid potentially catastrophic consequences of timing dependencies which are not eliminated from the design. Their applicability is shown in experiments and case studies. However, all the proposed run-time measures as well as very strict implementation requirements become ever more expensive in terms of design effort for contemporary embedded systems, due to the system's complexity. Hence, the second part of this thesis reflects on the design aspect rather than the analysis aspect of embedded systems and proposes a timing predictable design paradigm based on System-Level Logical Execution Time (SL-LET). Leveraging a timing-design model in SL-LET the proposed methods from the first part can now be applied to improve the quality of a design -- timing error handling can now be separated from the run-time methods and from the implementation requirements intended to guarantee them. The thesis therefore introduces timing diversity as a timing-predictable execution theme that handles timing errors without having to deal with them in the implemented application. An automotive 3D-perception case study demonstrates the applicability of timing diversity to ensure predictable end-to-end timing while masking certain types of timing errors.Traditionell wurden Timing-Anforderungen als (technische) Sicherheitsanforderungen durch geschickte funktionale Entwürfe vermieden. Neue Fahrzeugautomatisierungskonzepte und Anwendungen machen dies jedoch schwieriger oder gar unmöglich; Aufgrund der Problemkomplexität erfordert dies eine Entwurfsautomatisierung für cyber-physische Systeme heraus. Diese Arbeit nimmt sich dieser Herausforderung an, indem sie eine schichtenübergreifende Abhängigkeitsanalyse einführt, um zeitliche Abhängigkeiten im Modell der beschränkten Ausführungszeit (BET) mit dem funktionalen Modell des Artefakts in Beziehung zu setzen. Auf diese Weise ist die Analyse in der Lage, aufzuzeigen, wo Timing-Abhängigkeiten die Anforderungen an die Störungsfreiheit auf der funktionalen Schicht und anderen dazwischenliegenden Modellschichten verletzen können. Für die Entwurfsautomatisierung ergibt sich daraus die Herausforderung, wie solche Abhängigkeiten vermieden oder zumindest so eingegrenzt werden können, dass der Entwurf machbar ist: Das Ergebnis sind Synthesestrategien für Implementierungsanforderungen und eine Platzierungsstrategie auf Systemebene für Laufzeitmaßnahmen zur Vermeidung potentiell katastrophaler Folgen von Timing-Abhängigkeiten, die nicht aus dem Entwurf eliminiert werden. Ihre Anwendbarkeit wird in Experimenten und Fallstudien gezeigt. Allerdings werden alle vorgeschlagenen Laufzeitmaßnahmen sowie sehr strenge Implementierungsanforderungen für moderne eingebettete Systeme aufgrund der Komplexität des Systems immer teurer im Entwurfsaufwand. Daher befasst sich der zweite Teil dieser Arbeit eher mit dem Entwurfsaspekt als mit dem Analyseaspekt von eingebetteten Systemen und schlägt ein Entwurfsparadigma für vorhersagbares Timing vor, das auf der System-Level Logical Execution Time (SL-LET) basiert. Basierend auf einem Timing-Entwurfsmodell in SL-LET können die vorgeschlagenen Methoden aus dem ersten Teil nun angewandt werden, um die Qualität eines Entwurfs zu verbessern -- die Behandlung von Timing-Fehlern kann nun von den Laufzeitmethoden und von den Implementierungsanforderungen, die diese garantieren sollen, getrennt werden. In dieser Arbeit wird daher Timing Diversity als ein Thema der Timing-Vorhersage in der Ausführung eingeführt, das Timing-Fehler behandelt, ohne dass sie in der implementierten Anwendung behandelt werden müssen. Anhand einer Fallstudie aus dem Automobilbereich (3D-Umfeldwahrnehmung) wird die Anwendbarkeit von Timing-Diversität demonstriert, um ein vorhersagbares Ende-zu-Ende-Timing zu gewährleisten und gleichzeitig in der Lage zu sein, bestimmte Arten von Timing-Fehlern zu maskieren

OSS architecture for mixed-criticality systems – a dual view from a software and system engineering perspective

Computer-based automation in industrial appliances led to a growing number of logically dependent, but physically separated embedded control units per appliance. Many of those components are safety-critical systems, and require adherence to safety standards, which is inconsonant with the relentless demand for features in those appliances. Features lead to a growing amount of control units per appliance, and to a increasing complexity of the overall software stack, being unfavourable for safety certifications. Modern CPUs provide means to revise traditional separation of concerns design primitives: the consolidation of systems, which yields new engineering challenges that concern the entire software and system stack. Multi-core CPUs favour economic consolidation of formerly separated systems with one efficient single hardware unit. Nonetheless, the system architecture must provide means to guarantee the freedom from interference between domains of different criticality. System consolidation demands for architectural and engineering strategies to fulfil requirements (e.g., real-time or certifiability criteria) in safety-critical environments. In parallel, there is an ongoing trend to substitute ordinary proprietary base platform software components by mature OSS variants for economic and engineering reasons. There are fundamental differences of processual properties in development processes of OSS and proprietary software. OSS in safety-critical systems requires development process assessment techniques to build an evidence-based fundament for certification efforts that is based upon empirical software engineering methods. In this thesis, I will approach from both sides: the software and system engineering perspective. In the first part of this thesis, I focus on the assessment of OSS components: I develop software engineering techniques that allow to quantify characteristics of distributed OSS development processes. I show that ex-post analyses of software development processes can be used to serve as a foundation for certification efforts, as it is required for safety-critical systems. In the second part of this thesis, I present a system architecture based on OSS components that allows for consolidation of mixed-criticality systems on a single platform. Therefore, I exploit virtualisation extensions of modern CPUs to strictly isolate domains of different criticality. The proposed architecture shall eradicate any remaining hypervisor activity in order to preserve real-time capabilities of the hardware by design, while guaranteeing strict isolation across domains.Computergestützte Automatisierung industrieller Systeme führt zu einer wachsenden Anzahl an logisch abhängigen, aber physisch voneinander getrennten Steuergeräten pro System. Viele der Einzelgeräte sind sicherheitskritische Systeme, welche die Einhaltung von Sicherheitsstandards erfordern, was durch die unermüdliche Nachfrage an Funktionalitäten erschwert wird. Diese führt zu einer wachsenden Gesamtzahl an Steuergeräten, einhergehend mit wachsender Komplexität des gesamten Softwarekorpus, wodurch Zertifizierungsvorhaben erschwert werden. Moderne Prozessoren stellen Mittel zur Verfügung, welche es ermöglichen, das traditionelle >Trennung von Belangen< Designprinzip zu erneuern: die Systemkonsolidierung. Sie stellt neue ingenieurstechnische Herausforderungen, die den gesamten Software und Systemstapel betreffen. Mehrkernprozessoren begünstigen die ökonomische und effiziente Konsolidierung vormals getrennter Systemen zu einer effizienten Hardwareeinheit. Geeignete Systemarchitekturen müssen jedoch die Rückwirkungsfreiheit zwischen Domänen unterschiedlicher Kritikalität sicherstellen. Die Konsolidierung erfordert architektonische, als auch ingenieurstechnische Strategien um die Anforderungen (etwa Echtzeit- oder Zertifizierbarkeitskriterien) in sicherheitskritischen Umgebungen erfüllen zu können. Zunehmend werden herkömmliche proprietär entwickelte Basisplattformkomponenten aus ökonomischen und technischen Gründen vermehrt durch ausgereifte OSS Alternativen ersetzt. Jedoch hindern fundamentale Unterschiede bei prozessualen Eigenschaften des Entwicklungsprozesses bei OSS den Einsatz in sicherheitskritischen Systemen. Dieser erfordert Techniken, welche es erlauben die Entwicklungsprozesse zu bewerten um ein evidenzbasiertes Fundament für Zertifizierungsvorhaben basierend auf empirischen Methoden des Software Engineerings zur Verfügung zu stellen. In dieser Arbeit nähere ich mich von beiden Seiten: der Softwaretechnik, und der Systemarchitektur. Im ersten Teil befasse ich mich mit der Beurteilung von OSS Komponenten: Ich entwickle Softwareanalysetechniken, welche es ermöglichen, prozessuale Charakteristika von verteilten OSS Entwicklungsvorhaben zu quantifizieren. Ich zeige, dass rückschauende Analysen des Entwicklungsprozess als Grundlage für Softwarezertifizierungsvorhaben genutzt werden können. Im zweiten Teil dieser Arbeit widme ich mich der Systemarchitektur. Ich stelle eine OSS-basierte Systemarchitektur vor, welche die Konsolidierung von Systemen gemischter Kritikalität auf einer alleinstehenden Plattform ermöglicht. Dazu nutze ich Virtualisierungserweiterungen moderner Prozessoren aus, um die Hardware in strikt voneinander isolierten Rechendomänen unterschiedlicher Kritikalität unterteilen zu können. Die vorgeschlagene Architektur soll jegliche Betriebsstörungen des Hypervisors beseitigen, um die Echtzeitfähigkeiten der Hardware bauartbedingt aufrecht zu erhalten, während strikte Isolierung zwischen Domänen stets sicher gestellt ist

Cache-Aware Real-Time Virtualization

Virtualization has been adopted in diverse computing environments, ranging from cloud computing to embedded systems. It enables the consolidation of multi-tenant legacy systems onto a multicore processor for Size, Weight, and Power (SWaP) benefits. In order to be adopted in timing-critical systems, virtualization must provide real-time guarantee for tasks and virtual machines (VMs). However, existing virtualization technologies cannot offer such timing guarantee. Tasks in VMs can interfere with each other through shared hardware components. CPU cache, in particular, is a major source of interference that is hard to analyze or manage. In this work, we focus on challenges of the impact of cache-related interferences on the real-time guarantee of virtualization systems. We propose the cache-aware real-time virtualization that provides both system techniques and theoretical analysis for tackling the challenges. We start with the challenge of the private cache overhead and propose the private cache-aware compositional analysis. To tackle the challenge of the shared cache interference, we start with non-virtualization systems and propose a shared cache-aware scheduler for operating systems to co-allocate both CPU and cache resources to tasks and develop the analysis. We then investigate virtualization systems and propose a dynamic cache management framework that hierarchically allocates shared cache to tasks. After that, we further investigate the resource allocation and analysis technique that considers not only cache resource but also CPU and memory bandwidth resources. Our solutions are applicable to commodity hardware and are essential steps to advance virtualization technology into timing-critical systems

Spare parts planning and control for maintenance operations

This paper presents a framework for planning and control of the spare parts supply chain inorganizations that use and maintain high-value capital assets. Decisions in the framework aredecomposed hierarchically and interfaces are described. We provide relevant literature to aiddecision making and identify open research topics. The framework can be used to increasethe e¿ciency, consistency and sustainability of decisions on how to plan and control a spareparts supply chain. This point is illustrated by applying it in a case-study. Applicability of theframework in di¿erent environments is also investigated

Operating System Contribution to Composable Timing Behaviour in High-Integrity Real-Time Systems

The development of High-Integrity Real-Time Systems has a high footprint in terms of human, material and schedule costs. Factoring functional, reusable logic in the application favors incremental development and contains costs. Yet, achieving incrementality in the timing behavior is a much harder problem. Complex features at all levels of the execution stack, aimed to boost average-case performance, exhibit timing behavior highly dependent on execution history, which wrecks time composability and incrementaility with it. Our goal here is to restitute time composability to the execution stack, working bottom up across it. We first characterize time composability without making assumptions on the system architecture or the software deployment to it. Later, we focus on the role played by the real-time operating system in our pursuit. Initially we consider single-core processors and, becoming less permissive on the admissible hardware features, we devise solutions that restore a convincing degree of time composability. To show what can be done for real, we developed TiCOS, an ARINC-compliant kernel, and re-designed ORK+, a kernel for Ada Ravenscar runtimes. In that work, we added support for limited-preemption to ORK+, an absolute premiere in the landscape of real-word kernels. Our implementation allows resource sharing to co-exist with limited-preemptive scheduling, which extends state of the art. We then turn our attention to multicore architectures, first considering partitioned systems, for which we achieve results close to those obtained for single-core processors. Subsequently, we shy away from the over-provision of those systems and consider less restrictive uses of homogeneous multiprocessors, where the scheduling algorithm is key to high schedulable utilization. To that end we single out RUN, a promising baseline, and extend it to SPRINT, which supports sporadic task sets, hence matches real-world industrial needs better. To corroborate our results we present findings from real-world case studies from avionic industry