Functional Programming for Embedded Systems

Embedded Systems application development has traditionally been carried out in low-level machine-oriented programming languages like C or Assembler that can result in unsafe, error-prone and difficult-to-maintain code. Functional programming with features such as higher-order functions, algebraic data types, polymorphism, strong static typing and automatic memory management appears to be an ideal candidate to address the issues with low-level languages plaguing embedded systems. However, embedded systems usually run on heavily memory-constrained devices with memory in the order of hundreds of kilobytes and applications running on such devices embody the general characteristics of being (i) I/O- bound, (ii) concurrent and (iii) timing-aware. Popular functional language compilers and runtimes either do not fare well with such scarce memory resources or do not provide high-level abstractions that address all the three listed characteristics. This work attempts to address this gap by investigating and proposing high-level abstractions specialised for I/O-bound, concurrent and timing-aware embedded-systems programs. We implement the proposed abstractions on eagerly-evaluated, statically-typed functional languages running natively on microcontrollers. Our contributions are divided into two parts - Part 1 presents a functional reactive programming language - Hailstorm - that tracks side effects like I/O in its type system using a feature called resource types. Hailstorm’s programming model is illustrated on the GRiSP microcontroller board.Part 2 comprises two papers that describe the design and implementation of Synchron, a runtime API that provides a uniform message-passing framework for the handling of software messages as well as hardware interrupts. Additionally, the Synchron API supports a novel timing operator to capture the notion of time, common in embedded applications. The Synchron API is implemented as a virtual machine - SynchronVM - that is run on the NRF52 and STM32 microcontroller boards. We present programming examples that illustrate the concurrency, I/O and timing capabilities of the VM and provide various benchmarks on the response time, memory and power usage of SynchronVM

Proactive Adaptation in Self-Organizing Task-based Runtime Systems for Different Computing Classes

Moderne Computersysteme bieten Anwendern und Anwendungsentwicklern ein hohes Maß an Parallelität und Heterogenität. Die effiziente Nutzung dieser Systeme erfordert jedoch tiefgreifende Kenntnisse, z.B. der darunterliegenden Hardware-Plattform und den notwendigen Programmiermodellen, und umfangreiche Arbeit des Entwicklers. In dieser Thesis bezieht sich die effiziente Nutzung auf die Gesamtausführungszeit der Anwendungen, den Energieverbrauch des Systems, die maximale Temperatur der Verarbeitungseinheiten und die Zuverlässigkeit des Systems. Neben den verschiedenen Optimierungszielen muss ein Anwendungsentwickler auch die spezifischen Einschränkungen und Randbedingungen des Systems berücksichtigen, wie z. B. Deadlines oder Sicherheitsgarantien, die mit bestimmten Anwendungsbereichen einhergehen. Diese Komplexität heterogener Systeme macht es unmöglich, alle potenziellen Systemzustände und Umwelteinflüsse, die zur Laufzeit auftreten können, vorherzusagen. Die System- und Anwendungsentwickler sind somit nicht in der Lage, zur Entwurfszeit festzulegen, wie das System und die Anwendungen in allen möglichen Situationen reagieren sollen. Daher ist es notwendig, die Systeme zur Laufzeit der aktuellen Situation anzupassen, um ihr Verhalten entsprechend zu optimieren. In eingebetteten Systemen mit begrenzten Kühlkapazitäten muss z.B. bei Erreichen einer bestimmten Temperaturschwelle eine Lastverteilung vorgenommen, die Frequenz verringert oder Verarbeitungseinheiten abgeschaltet werden, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Normalerweise reicht es aber nicht aus, einfach nur auf einen ungünstigen Systemzustand zu reagieren. Das Ziel sollte darin bestehen, ungünstige oder fehlerhafte Systemzustände vor dem Auftreten zu vermeiden, um die Notwendigkeit des Aufrufs von Notfallfunktionen zu verringern und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Anstatt beispielsweise die Wärmeentwicklung durch eine Neuverteilung der Anwendungen zu reduzieren, könnten proaktive Mechanismen kritische Temperaturen bereits im Vorfeld vermeiden, indem sie bestimmte unkritische Aufgaben verzögern oder deren Genauigkeit oder QoS verringern. Auf diese Weise wird die Systemlast reduziert, bevor ein kritischer Punkt erreicht wird. Lösungen des aktuellen Stands der Technik wie einheitliche Programmiersprachen oder Laufzeitsysteme adressieren einige der oben genannten Herausforderungen, jedoch existiert kein Ansatz, der in der Lage ist, eine Optimierung mehrerer sich widersprechender Zielfunktionen dynamisch und vor allem proaktiv durchzuführen. Ein Konzept, das diese komplexe Aufgabe für den Entwickler übernimmt und eine Möglichkeit zur dynamischen und proaktiven Anpassung an Veränderungen bietet, ist die Selbstorganisation. Selbstorganisation ist jedoch definiert als ein Prozess ohne externe Kontrolle oder Steuerung. Im Kontext der Systemoptimierung kann dies leicht zu unerwünschten Ergebnissen führen. Ein Ansatz, der Selbstorganisation mit einem Kontrollmechanismus kombiniert, welcher auf Robustheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Störungen abzielt, ist Organic Computing. Das bestimmende Merkmal von Organic Computing ist eine Observer/Controller-Architektur. Das Konzept dieser Architektur besteht darin, den aktuellen Zustand des Systems und der Umgebung zu überwachen, diese Daten zu analysieren und auf der Grundlage dieser Analyse Entscheidungen über das zukünftige Systemverhalten zu treffen. Organic Computing ermöglicht es also auf der Grundlage der vergangenen und des aktuellen Zustands proaktiv Mechanismen auszuwählen und auszulösen, die das System optimieren und unerwünschte Zustände vermeiden. Um die Vorteile des Organic Computings auf moderne heterogene Systeme zu übertragen, kombiniere ich den Organic Computing-Ansatz mit einem Laufzeitsystem. Laufzeitsysteme sind ein vielversprechender Kandidat für die Umsetzung des Organic Computing-Ansatzes, da sie bereits die Ausführung von Anwendungen überwachen und steuern. Insbesondere betrachte und bearbeite ich in dieser Dissertation die folgenden Forschungsthemen, indem ich die Konzepte des Organic Computings und der Laufzeitsysteme kombiniere: • Erfassen des aktuellen Systemzustands durch Überwachung von Sensoren und Performance Countern • Vorhersage zukünftiger Systemzustände durch Analyse des vergangenen Verhaltens • Nutzung von Zustandsinformationen zur proaktiven Anpassung des Systems Ich erweitere das Thema der Erfassung von Systemzuständen auf zwei Arten. Zunächst führe ich eine neuartige heuristische Metrik zur Berechnung der Zuverlässigkeit einer Verarbeitungseinheit ein, die auf symptombasierter Fehlererkennung basiert. Symptombasierte Fehlererkennung ist eine leichtgewichtige Methode zur dynamischen Erkennung von soften Hardware-Fehlern durch Überwachung des Ausführungsverhaltens mit Performance Countern. Die dynamische Erkennung von Fehlern ermöglicht dann die Berechnung einer heuristischen Fehlerrate einer Verarbeitungseinheit in einem bestimmten Zeitfenster. Die Fehlerrate wird verwendet, um die Anzahl der erforderlichen Ausführungen einer Anwendung zu berechnen, um eine bestimmte Ergebniszuverlässigkeit, also eine Mindestwahrscheinlichkeit für ein korrektes Ergebnis, zu gewährleisten. Ein wichtiger Aspekt der Zustandserfassung ist die Minimierung des entstehenden Overheads. Ich verringere die Anzahl der für OpenMP-Tasks notwendigen Profiling-Durchläufe durch Thread-Interpolation und Überprüfungen des Skalierungsverhaltens. Zusätzlich untersuche ich die Vorhersage von OpenCL Task-Ausführungszeiten. Die Prädiktoren der Ausführungszeiten werden mit verschiedenen maschinellen Lernalgorithmen trainiert. Als Input werden Profile der Kernel verwendet, die durch statische Codeanalyse erstellt wurden. Um in dieser Dissertation zukünftige Systemzustände vorherzusagen, sollen Anwendungen vorausgesagt werden, die in naher Zukunft im System vorkommen werden. In Kombination mit der Ausführungsdatenbank ermöglicht dies die Schätzung der anstehenden Kosten, die das System zu bewältigen hat. In dieser Arbeit werden zwei Mechanismen zur Vorhersage von Anwendungen/Tasks entwickelt. Der erste Prädiktor zielt darauf ab, neue Instanzen unabhängiger Tasks vorherzusagen. Der zweite Mechanismus betrachtet Ausführungsmuster abhängiger Anwendungen und sagt auf dieser Grundlage zukünftig auftretende Anwendungen vorher. Beide Mechanismen verwenden eine Vorhersagetabelle, die auf Markov-Prädiktoren und dem Abgleich von Mustern basiert. In dieser Arbeit wird das Wissen, das durch die Systemüberwachung und die Vorhersage zukünftiger Anwendungen gewonnen wird, verwendet, um die Optimierungsziele des Systems proaktiv in Einklang zu bringen und zu gewichten. Dies geschieht durch eine Reihe von Regeln, die eine Systemzustandsbeschreibung, bestehend aus dem aktuellen Zustand, Vorhersagen und Randbedingungen bzw. Beschränkungen, auf einen Vektor aus Gewichten abbilden. Zum Erlernen der Regelmenge wird ein Extended Classifer System (XCS) eingesetzt. Das XCS ist in eine hierarchische Architektur eingebettet, die nach den Prinzipien des Organic Computing entworfen wurde. Eine wichtige Designentscheidung ist dabei die Auslagerung der Erstellung neuer Regeln an einen Offline-Algorithmus, der einen Simulator nutzt und parallel zum normalen Systemablauf ausgeführt wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keine ungetesteten Regeln, deren Auswirkungen noch nicht bekannt sind, dem laufenden System hinzugefügt werden. Die sich daraus ergebenden Gewichte werden schließlich verwendet, um eine Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen zu erstellen. Diese Dissertation erweitert das Forschungsgebiet der Scheduling-Algorithmen durch zwei Mechanismen für dynamisches Scheduling. Die erste Erweiterung konzentriert sich auf nicht sicherheitskritische Systeme, die Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Wichtigkeit von Tasks auszudrücken. Da statische Prioritäten in stark ausgelasteten Systemen zu Starvation führen können, habe ich einen dynamischen Ageing-Mechanismus entwickelt, der dazu in der Lage ist, die Prioritäten der Tasks entsprechend der aktuellen Auslastung und ihrer Wartezeiten anzupassen. Dadurch reduziert der Mechanismus die Gesamtlaufzeit über alle Tasks und die Wartezeit für Tasks mit niedrigerer Priorität. Noch ist eine große Anzahl von Anwendungen nicht dazu bereit, den hohen Grad an Parallelität zu nutzen, den moderne Computersysteme bieten. Ein Konzept, das versucht dieses Problem zu lösen, indem es mehrere verschiedene Prozesse auf demselben Rechenknoten zur Ausführung bringt, ist das Co-Scheduling. In dieser Dissertation stelle ich einen neuartigen Co-Scheduling-Mechanismus vor, welcher die Task-Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen optimiert, die auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Um die notwendigen Informationen zwischen den Laufzeitsysteminstanzen zu teilen, speichert der Mechanismus die Daten in Shared Memory. Sobald ein Laufzeitsystem neue Tasks in das System einfügt, prüft der Mechanismus, ob die Berechnung eines neuen Schedules sinnvoll ist. Wird die Entscheidung getroffen, einen neuen Schedule zu berechnen, setzt der Mechanismus Simulated Annealing ein, um alle Tasks, die bisher noch nicht mit ihrer Ausführung begonnen haben, neu auf Ausführungseinheiten abzubilden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit neuartige Mechanismen und Algorithmen sowie Erweiterungen zu verschiedenen Forschungsgebieten anbietet, um ein proaktives selbst-organisierendes System zu implementieren, das sich an neue und unbekannte Situationen anpassen kann. Dabei wird die Komplexität für Benutzer und Anwendungsentwickler reduziert, indem die Entscheidungsfindung in das System selbst ausgelagert wird. Gleichzeitig sorgt dieser Ansatz für eine effiziente Nutzung der Ressourcen des Systems. Insgesamt leistet diese Arbeit die folgenden Beiträge zur Erweiterung des Stands der Forschung: • Einführung einer neuartigen heuristischen Metrik zur Messung der Zuverlässigkeit von Verarbeitungseinheiten. Die Metrik basiert auf einer leichtgewichtigen Methode zur Fehlererkennung, genannt symptombasierte Fehlererkennung. Mit der symptombasierten Fehlererkennung ist es möglich, mehrere injizierte Fehlerklassen und Interferenzen, die Soft-Hardware-Fehler simulieren, sowohl auf einer CPU als auch auf einer GPU zuverlässig zu erkennen. Darüber hinaus werden diese Ergebnisse durch Welch\u27s t-Test statistisch bestätigt. • Vorschlag eines Vorhersagemodells für die Ausführungszeit von OpenCL Kerneln, das auf statischer Code-Analyse basiert. Das Modell ist in der Lage, die schnellste Verarbeitungseinheit aus einer Menge von Verarbeitungseinheiten mit einer Genauigkeit von im schlechtesten Fall $69\,\%$ auszuwählen. Zum Vergleich: eine Referenzvariante, welche immer den Prozessor vorhersagt, der die meisten Kernel am schnellsten ausführt, erzielt eine Genauigkeit von $25\,\%$. Im besten Fall erreicht das Modell eine Genauigkeit von bis zu $83\,\%$. • Bereitstellung von zwei Prädiktoren für kommende Tasks/Anwendungen. Der erste Mechanismus betrachtet unabhängige Tasks, die ständig neue Task-Instanzen erstellen, der zweite abhängige Anwendungen, die Ausführungsmuster bilden. Dabei erzielt der erste Mechanismus bei der Vorhersage der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Task-Instanzen einen maximalen\\ $sMAPE$-Wert von $4,33\,\%$ für sporadische und $0,002 \,\%$ für periodische Tasks. Darüber hinaus werden Tasks mit einem aperiodischen Ausführungsschema zuverlässig erkannt. Der zweite Mechanismus erreicht eine Genauigkeit von $77,6 \,\%$ für die Vorhersage der nächsten anstehenden Anwendung und deren Startzeit. • Einführung einer Umsetzung eines hierarchischen Organic Computing Frameworks mit dem Anwendungsgebiet Task-Scheduling. Dieses Framework enthält u.a. ein modifiziertes XCS, für dessen Design und Implementierung ein neuartiger Reward-Mechanismus entwickelt wird. Der Mechanismus bedient sich dabei eines speziell für diesen Zweck entwickelten Simulators zur Berechnung von Task-Ausführungskosten. Das XCS bildet Beschreibungen des Systemzustands auf Gewichte zur Balancierung der Optimierungsziele des Systems ab. Diese Gewichte werden in einer Bewertungsfunktion für List Scheduling-Algorithmen verwendet. Damit wird in einem Evaluationsszenario, welches aus einem fünfmal wiederholten Muster aus Anwendungen besteht, eine Reduzierung der Gesamtlaufzeit um $10,4\,\%$ bzw. $26,7\,s$, des Energieverbrauchs um $4,7\,\%$ bzw. $2061,1\,J$ und der maximalen Temperatur der GPU um $3,6\,\%$ bzw. $2,7 K$ erzielt. Lediglich die maximale Temperatur über alle CPU-Kerne erhöht sich um $6\,\%$ bzw. $2,3\,K$. • Entwicklung von zwei Erweiterungen zur Verbesserung des dynamischen Task-Schedulings für einzelne und mehrere Prozesse, z.B. mehrere Laufzeitsysteminstanzen. Der erste Mechanismus, ein Ageing-Algorithmus, betrachtet nicht sicherheitskritische Systeme, welche Task-Prioritäten verwenden, um die unterschiedliche Bedeutung von Anwendungen darzustellen. Da es in solchen Anwendungsszenarien in Kombination mit hoher Systemauslastung zu Starvation kommen kann, passt der Mechanismus die Task-Prioritäten dynamisch an die aktuelle Auslastung und die Task-Wartezeiten an. Insgesamt erreicht dieser Mechanismus in zwei Bewertungsszenarien eine durchschnittliche Laufzeitverbesserung von $3,75\,\%$ und $3,16\,\%$ bei gleichzeitiger Reduzierung der Durchlaufzeit von Tasks mit niedrigerer Priorität um bis zu $25,67\,\%$. Der zweite Mechanismus ermöglicht die Optimierung von Schedules mehrerer Laufzeitsysteminstanzen, die parallel auf demselben Rechenknoten ausgeführt werden. Dieser Co-Scheduling-Ansatz verwendet Shared Memory zum Austausch von Informationen zwischen den Prozessen und Simulated Annealing zur Berechnung neuer Task-Schedules. In zwei Evaluierungsszenarien erzielt der Mechanismus durchschnittliche Laufzeitverbesserungen von $19,74\,\%$ und $20,91\,\%$ bzw. etwa $2,7\,s$ und $3\,s$

Model-Based Development of Distributed Embedded Systems by the Example of the Scicos/SynDEx Framework

The embedded systems engineering industry faces increasing demands for more functionality, rapidly evolving components, and shrinking schedules. Abilities to quickly adapt to changes, develop products with safe design, minimize project costs, and deliver timely are needed. Model-based development (MBD) follows a separation of concerns by abstracting systems with an appropriate intensity. MBD promises higher comprehension by modeling on several abstraction-levels, formal verification, and automated code generation. This thesis demonstrates MBD with the Scicos/SynDEx framework on a distributed embedded system. Scicos is a modeling and simulation environment for hybrid systems. SynDEx is a rapid prototyping integrated development environment for distributed systems. Performed examples implement well-known control algorithms on a target system containing several networked microcontrollers, sensors, and actuators. The addressed research question tackles the feasibility of MBD for medium-sized embedded systems. In the case of single-processor applications experiments show that the comforts of tool-provided simulation, verification, and code-generation have to be weighed against an additional memory consumption in dynamic and static memory compared to a hand-written approach. Establishing a near-seamless modeling-framework with Scicos/SynDEx is expensive. An increased development effort indicates a high price for developing single applications, but might pay off for product families. A further drawback was that the distributed code generated with SynDEx could not be adapted to microcontrollers without a significant alteration of the scheduling tables. The Scicos/SynDEx framework forms a valuable tool set that, however, still needs many improvements. Therefore, its usage is only recommended for experimental purposes.Comment: 146 pages, Master's Thesi

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues

A programming language view to model-driven engineering

MDE provides an appealing framework for supporting engineering activities, from early design phases to acceptance tests; going through refinement, architectural and functional design down to code generation and V&V efforts. Yet, separation of concerns between system engineers, architects and embedded domain experts may badly interact. by lack of a exchange mechanisms at both syntactic and semantic levels. Pivot meta-models also demonstrated their limits. In this talk, I'll illustrate on various projects how the use of a text-based modeling notation, combined with a strong semantics inherited from typical object-oriented languages, can support seamless integration of most concerns of a traditional V cycle, thus solving many issues in MDE approaches. I'll base my presentation on present current discussions part of the AADL standardization committee to enrich Architecture Description Language with a Constraint language. The objective is to increase the coupling between modeling and verification. By making the verification part of extended semantics rules of an ADL, we control the patterns used to describe the system, ensuring designers respect requirements, but also integrate V&V as part of the modeling effort

From Dataflow Specification to Multiprocessor Partitioned Time-triggered Real-time Implementation *

International audienceOur objective is to facilitate the development of complex time-triggered systems by automating the allocation and scheduling steps. We show that full automation is possible while taking into account the elements of complexity needed by a complex embedded control system. More precisely, we consider deterministic functional specifications provided (as often in an industrial setting) by means of synchronous data-flow models with multiple modes and multiple relative periods. We first extend this functional model with an original real-time characterization that takes advantage of our time-triggered framework to provide a simpler representation of complex end-to-end flow requirements. We also extend our specifications with additional non-functional properties specifying partitioning, allocation , and preemptability constraints. Then, weprovide novel algorithms for the off-line scheduling of these extended specifications onto partitioned time-triggered architectures à la ARINC 653. The main originality of our work is that it takes into account at the same time multiple complexity elements: various types of non-functional properties (real-time, partitioning, allocation, preemptability) and functional specifications with conditional execution and multiple modes. Allocation of time slots/windows to partitions can be fullyor partially provided, or synthesized by our tool. Our algorithms allow the automatic allocation and scheduling onto multi-processor (distributed) sys-tems with a global time base, taking into account communication costs. We demonstrate our technique on a model of space flight software systemwith strong real-time determinism requirements

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues

Custom Integrated Circuits

Contains table of contents for Part III, table of contents for Section 1 and reports on eleven research projects.IBM CorporationMIT School of EngineeringNational Science Foundation Grant MIP 94-23221Defense Advanced Research Projects Agency/U.S. Army Intelligence Center Contract DABT63-94-C-0053Mitsubishi CorporationNational Science Foundation Young Investigator Award Fellowship MIP 92-58376Joint Industry Program on Offshore Structure AnalysisAnalog DevicesDefense Advanced Research Projects AgencyCadence Design SystemsMAFET ConsortiumConsortium for Superconducting ElectronicsNational Defense Science and Engineering Graduate FellowshipDigital Equipment CorporationMIT Lincoln LaboratorySemiconductor Research CorporationMultiuniversity Research IntiativeNational Science Foundatio