Vorhersagbares und zur Laufzeit adaptierbares On-Chip Netzwerk für gemischt kritische Echtzeitsysteme

The industry of safety-critical and dependable embedded systems calls for even cheaper, high performance platforms that allow flexibility and an efficient verification of safety and real-time requirements. To cope with the increasing complexity of interconnected functions and to reduce the cost and power consumption of the system, multicore systems are used to efficiently integrate different processing units in the same chip. Networks-on-chip (NoCs), as a modular interconnect, are used as a promising solution for such multiprocessor systems on chip (MPSoCs), due to their scalability and performance. For safety-critical systems, a major goal is the avoidance of hazards. For this, safety-critical systems are qualified or even certified to prove the correctness of the functioning under all possible cases. A predictable behaviour of the NoC can help to ease the qualification process of the system. To achieve the required predictability, designers have two classes of solutions: quality of service mechanisms and (formal) analysis. For mixed-criticality systems, isolation and analysis approaches must be combined to efficiently achieve the desired predictability. Traditional NoC analysis and architecture concepts tackle only a subpart of the challenges: they focus on either performance or predictability. Existing, predictable NoCs are deemed too expensive and inflexible to host a variety of applications with opposing constraints. And state-of-the-art analyses neglect certain platform properties to verify the behaviour. Together this leads to a high over-provisioning of the hardware resources as well as adverse impacts on system performance, and on the flexibility of the system. In this work we tackle these challenges and develop a predictable and runtime-adaptable NoC architecture that efficiently integrates mixed-critical applications with opposing constraints. Additionally, we present a modelling and analysis framework for NoCs that accounts for backpressure. This framework enables to evaluate the performance and reliability early at design time. Hence, the designer can assess multiple design decisions by using abstract models and formal approaches.Die Industrie der sicherheitskritischen und zuverlässigen eingebetteten Systeme verlangt nach noch günstigeren, leistungsfähigeren Plattformen, welche Flexibilität und eine effiziente Überprüfung der Sicherheits- und Echtzeitanforderungen ermöglichen. Um der zunehmenden Komplexität der zunehmend vernetzten Funktionen gerecht zu werden und die Kosten und den Stromverbrauch eines Systems zu reduzieren, werden Mehrkern-Systeme eingesetzt. On-Chip Netzwerke werden aufgrund ihrer Skalierbarkeit und Leistung als vielversprechende Lösung für solch Mehrkern-Systeme eingesetzt. Bei sicherheitskritischen Systemen ist die Vermeidung von Gefahren ein wesentliches Ziel. Dazu werden sicherheitskritische Systeme qualifiziert oder zertifiziert, um die Funktionsfähigkeit in allen möglichen Fällen nachzuweisen. Ein vorhersehbares Verhalten des on-Chip Netzwerks kann dabei helfen, den Qualifizierungsprozess des Systems zu erleichtern. Um die erforderliche Vorhersagbarkeit zu erreichen, gibt es zwei Klassen von Lösungen: Quality of Service Mechanismen und (formale) Analyse. Für Systeme mit gemischter Relevanz müssen Isolationsmechanismen und Analyseansätze kombiniert werden, um die gewünschte Vorhersagbarkeit effizient zu erreichen. Traditionelle Analyse- und Architekturkonzepte für on-Chip Netzwerke lösen nur einen Teil dieser Herausforderungen: sie konzentrieren sich entweder auf Leistung oder Vorhersagbarkeit. Existierende vorhersagbare on-Chip Netzwerke werden als zu teuer und unflexibel erachtet, um eine Vielzahl von Anwendungen mit gegensätzlichen Anforderungen zu integrieren. Und state-of-the-art Analysen vernachlässigen bzw. vereinfachen bestimmte Plattformeigenschaften, um das Verhalten überprüfen zu können. Dies führt zu einer hohen Überbereitstellung der Hardware-Ressourcen als auch zu negativen Auswirkungen auf die Systemleistung und auf die Flexibilität des Systems. In dieser Arbeit gehen wir auf diese Herausforderungen ein und entwickeln eine vorhersehbare und zur Laufzeit anpassbare Architektur für on-Chip Netzwerke, welche gemischt-kritische Anwendungen effizient integriert. Zusätzlich stellen wir ein Modellierungs- und Analyseframework für on-Chip Netzwerke vor, das den Paketrückstau berücksichtigt. Dieses Framework ermöglicht es, Designentscheidungen anhand abstrakter Modelle und formaler Ansätze frühzeitig beurteilen

Erreichen von Performance in Netzwerken-On-Chip für Echtzeitsysteme

In many new applications, such as in automatic driving, high performance requirements have reached safety critical real-time systems. Consequently, Networks-on-Chip (NoCs) must efficiently host new sets of highly dynamic workloads e.g., high resolution sensor fusion and data processing, autonomous decision’s making combined with machine learning. The static platform management, as used in current safety critical systems, is no more sufficient to provide the needed level of service. A dynamic platform management could meet the challenge, but it usually suffers from a lack of predictability and the simplicity necessary for certification of safety and real-time properties. In this work, we propose a novel, global and dynamic arbitration for NoCs with real-time QoS requirements. The mechanism decouples the admission control from arbitration in routers thereby simplifying a dynamic adaptation and real-time analysis. Consequently, the proposed solution allows the deployment of a sophisticated contract-based QoS provisioning without introducing complicated and hard to maintain schemes, known from the frequently applied static arbiters. The presented work introduces an overlay network to synchronize transmissions using arbitration units called Resource Managers (RMs), which allows global and work-conserving scheduling. The description of resource allocation strategies is supplemented by protocol design and verification methodology bringing adaptive control to NoC communication in setups with different QoS requirements and traffic classes. For doing that, a formal worst-case timing analysis for the mechanism has been proposed which demonstrates that this solution not only exposes higher performance in simulation but, even more importantly, consistently reaches smaller formally guaranteed worst-case latencies than other strategies for realistic levels of system's utilization. The approach is not limited to a specific network architecture or topology as the mechanism does not require modifications of routers and therefore can be used together with the majority of existing manycore systems. Indeed, the evaluation followed using the generic performance optimized router designs, as well as two systems-on-chip focused on real-time deployments. The results confirmed that the proposed approach proves to exhibit significantly higher average performance in simulation and execution.In vielen neuen sicherheitskritische Anwendungen, wie z.B. dem automatisierten Fahren, werden große Anforderungen an die Leistung von Echtzeitsysteme gestellt. Daher müssen Networks-on-Chip (NoCs) neue, hochdynamische Workloads wie z.B. hochauflösende Sensorfusion und Datenverarbeitung oder autonome Entscheidungsfindung kombiniert mit maschineller Lernen, effizient auf einem System unterbringen. Die Steuerung der zugrunde liegenden NoC-Architektur, muss die Systemsicherheit vor Fehlern, resultierend aus dem dynamischen Verhalten des Systems schützen und gleichzeitig die geforderte Performance bereitstellen. In dieser Arbeit schlagen wir eine neuartige, globale und dynamische Steuerung für NoCs mit Echtzeit QoS Anforderungen vor. Das Schema entkoppelt die Zutrittskontrolle von der Arbitrierung in Routern. Hierdurch wird eine dynamische Anpassung ermöglicht und die Echtzeitanalyse vereinfacht. Der Einsatz einer ausgefeilten vertragsbasierten Ressourcen-Zuweisung wird so ermöglicht, ohne komplexe und schwer wartbare Mechanismen, welche bereits aus dem statischen Plattformmanagement bekannt sind einzuführen. Diese Arbeit stellt ein übergelagertes Netzwerk vor, welches Übertragungen mit Hilfe von Arbitrierungseinheiten, den so genannten Resource Managern (RMs), synchronisiert. Dieses überlagerte Netzwerk ermöglicht eine globale und lasterhaltende Steuerung. Die Beschreibung verschiedener Ressourcenzuweisungstrategien wird ergänzt durch ein Protokolldesign und Methoden zur Verifikation der adaptiven NoC Steuerung mit unterschiedlichen QoS Anforderungen und Verkehrsklassen. Hierfür wird eine formale Worst Case Timing Analyse präsentiert, welche das vorgestellte Verfahren abbildet. Die Resultate bestätitgen, dass die präsentierte Lösung nicht nur eine höhere Performance in der Simulation bietet, sondern auch formal kleinere Worst-Case Latenzen für realistische Systemauslastungen als andere Strategien garantiert. Der vorgestellte Ansatz ist nicht auf eine bestimmte Netzwerkarchitektur oder Topologie beschränkt, da der Mechanismus keine Änderungen an den unterliegenden Routern erfordert und kann daher zusammen mit bestehenden Manycore-Systemen eingesetzt werden. Die Evaluierung erfolgte auf Basis eines leistungsoptimierten Router-Designs sowie zwei auf Echtzeit-Anwendungen fokusierten Platformen. Die Ergebnisse bestätigten, dass der vorgeschlagene Ansatz im Durchschnitt eine deutlich höhere Leistung in der Simulation und Ausführung liefert