Autonomic State Management for Optimistic Simulation Platforms

We present the design and implementation of an autonomic state manager (ASM) tailored for integration within optimistic parallel discrete event simulation (PDES) environments based on the C programming language and the executable and linkable format (ELF), and developed for execution on x8664 architectures. With ASM, the state of any logical process (LP), namely the individual (concurrent) simulation unit being part of the simulation model, is allowed to be scattered on dynamically allocated memory chunks managed via standard API (e.g., malloc/free). Also, the application programmer is not required to provide any serialization/deserialization module in order to take a checkpoint of the LP state, or to restore it in case a causality error occurs during the optimistic run, or to provide indications on which portions of the state are updated by event processing, so to allow incremental checkpointing. All these tasks are handled by ASM in a fully transparent manner via (A) runtime identification (with chunk-level granularity) of the memory map associated with the LP state, and (B) runtime tracking of the memory updates occurring within chunks belonging to the dynamic memory map. The co-existence of the incremental and non-incremental log/restore modes is achieved via dual versions of the same application code, transparently generated by ASM via compile/link time facilities. Also, the dynamic selection of the best suited log/restore mode is actuated by ASM on the basis of an innovative modeling/optimization approach which takes into account stability of each operating mode with respect to variations of the model/environmental execution parameters

Nuevas técnicas de inyección de fallos en sistemas embebidos mediante el uso de modelos virtuales descritos en el nivel de transacción

Mejor software y más rápido. Este es el desafío que se deriva de la necesidad de construir sistemas cada vez más inteligentes. En cualquier diseño embebido actual, el software es un componente fundamental que dota al sistema de una alta capacidad de configuración, gran número de funcionalidades y elasticidad en el comportamiento del sistema en situaciones excepcionales. Si además el desarrollo del conjunto hardware/software integrado en un System on Chip (SoC), forma parte de un sistema de control crítico donde se deben tener en cuenta requisitos de tolerancia a fallos, la verificación exhaustiva de los mismos consume un porcentaje cada vez más importante de los recursos totales dedicados al desarrollo y puesta en funcionamiento del sistema. En este contexto, el uso de metodologías clásicas de codiseño y coverificación es completamente ineficiente, siendo necesario el uso de nuevas tecnologías y herramientas para el desarrollo y verificación tempranos del software embebido. Entre ellas se puede incluir la propuesta en este trabajo de tesis, la cual aborda el problema mediante el uso de modelos ejecutables del hardware definidos en el nivel de transacción. Debido a los estrictos requisitos de robustez que imperan en el desarrollo de software espacial, es necesario llevar a cabo tareas de verificación en etapas muy tempranas del desarrollo para asegurar que los mecanismos de tolerancia a fallos, avanzados en la especificación del sistema, funcionan adecuadamente. De forma general, es deseable que estas tareas se realicen en paralelo con el desarrollo hardware, anticipando problemas o errores existentes en la especificación del sistema. Además, la verificación completa de los mecanismos de excepción implementados en el software, puede ser imposible de realizar en hardware real ya que los escenarios de fallo deben ser artificial y sistemáticamente generados mediante técnicas de inyección de fallos que permitan realizar campañas de inyección controlables, observables y reproducibles. En esta tesis se describe la investigación, desarrollo y uso de una plataforma virtual denominada "Leon2ViP", con capacidad de inyección de fallos y basada en interfaces SystemC/TLM2 para el desarrollo temprano y verificación de software embebido en el marco del proyecto Solar Orbiter. De esta forma ha sido posible ejecutar y probar exactamente el mismo código binario a ejecutar en el hardware real, pero en un entorno más controlable y determinista. Ello permite la realización de campañas de inyección de fallos muy focalizadas que no serían posible de otra manera. El uso de "\Leon2ViP" ha significado una mejora significante, en términos de coste y tiempo, en el desarrollo y verificación del software de arranque de la unidad de control del instrumento (ICU) del detector de partículas energéticas (EPD) embarcado en Solar Orbiter

A continuum robotic platform for endoscopic non-contact laser surgery: design, control, and preclinical evaluation

The application of laser technologies in surgical interventions has been accepted in the clinical domain due to their atraumatic properties. In addition to manual application of fibre-guided lasers with tissue contact, non-contact transoral laser microsurgery (TLM) of laryngeal tumours has been prevailed in ENT surgery. However, TLM requires many years of surgical training for tumour resection in order to preserve the function of adjacent organs and thus preserve the patient’s quality of life. The positioning of the microscopic laser applicator outside the patient can also impede a direct line-of-sight to the target area due to anatomical variability and limit the working space. Further clinical challenges include positioning the laser focus on the tissue surface, imaging, planning and performing laser ablation, and motion of the target area during surgery. This dissertation aims to address the limitations of TLM through robotic approaches and intraoperative assistance. Although a trend towards minimally invasive surgery is apparent, no highly integrated platform for endoscopic delivery of focused laser radiation is available to date. Likewise, there are no known devices that incorporate scene information from endoscopic imaging into ablation planning and execution. For focusing of the laser beam close to the target tissue, this work first presents miniaturised focusing optics that can be integrated into endoscopic systems. Experimental trials characterise the optical properties and the ablation performance. A robotic platform is realised for manipulation of the focusing optics. This is based on a variable-length continuum manipulator. The latter enables movements of the endoscopic end effector in five degrees of freedom with a mechatronic actuation unit. The kinematic modelling and control of the robot are integrated into a modular framework that is evaluated experimentally. The manipulation of focused laser radiation also requires precise adjustment of the focal position on the tissue. For this purpose, visual, haptic and visual-haptic assistance functions are presented. These support the operator during teleoperation to set an optimal working distance. Advantages of visual-haptic assistance are demonstrated in a user study. The system performance and usability of the overall robotic system are assessed in an additional user study. Analogous to a clinical scenario, the subjects follow predefined target patterns with a laser spot. The mean positioning accuracy of the spot is 0.5 mm. Finally, methods of image-guided robot control are introduced to automate laser ablation. Experiments confirm a positive effect of proposed automation concepts on non-contact laser surgery.Die Anwendung von Lasertechnologien in chirurgischen Interventionen hat sich aufgrund der atraumatischen Eigenschaften in der Klinik etabliert. Neben manueller Applikation von fasergeführten Lasern mit Gewebekontakt hat sich die kontaktfreie transorale Lasermikrochirurgie (TLM) von Tumoren des Larynx in der HNO-Chirurgie durchgesetzt. Die TLM erfordert zur Tumorresektion jedoch ein langjähriges chirurgisches Training, um die Funktion der angrenzenden Organe zu sichern und damit die Lebensqualität der Patienten zu erhalten. Die Positionierung des mikroskopis chen Laserapplikators außerhalb des Patienten kann zudem die direkte Sicht auf das Zielgebiet durch anatomische Variabilität erschweren und den Arbeitsraum einschränken. Weitere klinische Herausforderungen betreffen die Positionierung des Laserfokus auf der Gewebeoberfläche, die Bildgebung, die Planung und Ausführung der Laserablation sowie intraoperative Bewegungen des Zielgebietes. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, die Limitierungen der TLM durch robotische Ansätze und intraoperative Assistenz zu adressieren. Obwohl ein Trend zur minimal invasiven Chirurgie besteht, sind bislang keine hochintegrierten Plattformen für die endoskopische Applikation fokussierter Laserstrahlung verfügbar. Ebenfalls sind keine Systeme bekannt, die Szeneninformationen aus der endoskopischen Bildgebung in die Ablationsplanung und -ausführung einbeziehen. Für eine situsnahe Fokussierung des Laserstrahls wird in dieser Arbeit zunächst eine miniaturisierte Fokussieroptik zur Integration in endoskopische Systeme vorgestellt. Experimentelle Versuche charakterisieren die optischen Eigenschaften und das Ablationsverhalten. Zur Manipulation der Fokussieroptik wird eine robotische Plattform realisiert. Diese basiert auf einem längenveränderlichen Kontinuumsmanipulator. Letzterer ermöglicht in Kombination mit einer mechatronischen Aktuierungseinheit Bewegungen des Endoskopkopfes in fünf Freiheitsgraden. Die kinematische Modellierung und Regelung des Systems werden in ein modulares Framework eingebunden und evaluiert. Die Manipulation fokussierter Laserstrahlung erfordert zudem eine präzise Anpassung der Fokuslage auf das Gewebe. Dafür werden visuelle, haptische und visuell haptische Assistenzfunktionen eingeführt. Diese unterstützen den Anwender bei Teleoperation zur Einstellung eines optimalen Arbeitsabstandes. In einer Anwenderstudie werden Vorteile der visuell-haptischen Assistenz nachgewiesen. Die Systemperformanz und Gebrauchstauglichkeit des robotischen Gesamtsystems werden in einer weiteren Anwenderstudie untersucht. Analog zu einem klinischen Einsatz verfolgen die Probanden mit einem Laserspot vorgegebene Sollpfade. Die mittlere Positioniergenauigkeit des Spots beträgt dabei 0,5 mm. Zur Automatisierung der Ablation werden abschließend Methoden der bildgestützten Regelung vorgestellt. Experimente bestätigen einen positiven Effekt der Automationskonzepte für die kontaktfreie Laserchirurgie

Standart-konformes Snapshotting für SystemC Virtuelle Plattformen

The steady increase in complexity of high-end embedded systems goes along with an increasingly complex design process. We are currently still in a transition phase from Hardware-Description Language (HDL) based design towards virtual-platform-based design of embedded systems. As design complexity rises faster than developer productivity a gap forms. Restoring productivity while at the same time managing increased design complexity can also be achieved through focussing on the development of new tools and design methodologies. In most application areas, high-level modelling languages such as SystemC are used in early design phases. In modern software development Continuous Integration (CI) is used to automatically test if a submitted piece of code breaks functionality. Application of the CI concept to embedded system design and testing requires fast build and test execution times from the virtual platform framework. For this use case the ability to save a specific state of a virtual platform becomes necessary. The saving and restoring of specific states of a simulation requires the ability to serialize all data structures within the simulation models. Improving the frameworks and establishing better methods will only help to narrow the design gap, if these changes are introduced with the needs of the engineers and developers in mind. Ultimately, it is their productivity that shall be improved. The ability to save the state of a virtual platform enables developers to run longer test campaigns that can even contain randomized test stimuli. If the saved states are modifiable the developers can inject faulty states into the simulation models. This work contributes an extension to the SoCRocket virtual platform framework to enable snapshotting. The snapshotting extension can be considered a reference implementation as the utilization of current SystemC/TLM standards makes it compatible to other frameworkds. Furthermore, integrating the UVM SystemC library into the framework enables test driven development and fast validation of SystemC/TLM models using snapshots. These extensions narrow the design gap by supporting designers, testers and developers to work more efficiently.Die stetige Steigerung der Komplexität eingebetteter Systeme geht einher mit einer ebenso steigenden Komplexität des Entwurfsprozesses. Wir befinden uns momentan in der Übergangsphase vom Entwurf von eingebetteten Systemen basierend auf Hardware-Beschreibungssprachen hin zum Entwurf ebendieser basierend auf virtuellen Plattformen. Da die Entwurfskomplexität rasanter steigt als die Produktivität der Entwickler, entsteht eine Kluft. Die Produktivität wiederherzustellen und gleichzeitig die gesteigerte Entwurfskomplexität zu bewältigen, kann auch erreicht werden, indem der Fokus auf die Entwicklung neuer Werkzeuge und Entwurfsmethoden gelegt wird. In den meisten Anwendungsgebieten werden Modellierungssprachen auf hoher Ebene, wie zum Beispiel SystemC, in den frühen Entwurfsphasen benutzt. In der modernen Software-Entwicklung wird Continuous Integration (CI) benutzt um automatisiert zu überprüfen, ob eine eingespielte Änderung am Quelltext bestehende Funktionalitäten beeinträchtigt. Die Anwendung des CI-Konzepts auf den Entwurf und das Testen von eingebetteten Systemen fordert schnelle Bau- und Test-Ausführungszeiten von dem genutzten Framework für virtuelle Plattformen. Für diesen Anwendungsfall wird auch die Fähigkeit, einen bestimmten Zustand der virtuellen Plattform zu speichern, erforderlich. Das Speichern und Wiederherstellen der Zustände einer Simulation erfordert die Serialisierung aller Datenstrukturen, die sich in den Simulationsmodellen befinden. Das Verbessern von Frameworks und Etablieren besserer Methodiken hilft nur die Entwurfs-Kluft zu verringern, wenn diese Änderungen mit Berücksichtigung der Bedürfnisse der Entwickler und Ingenieure eingeführt werden. Letztendlich ist es ihre Produktivität, die gesteigert werden soll. Die Fähigkeit den Zustand einer virtuellen Plattform zu speichern, ermöglicht es den Entwicklern, längere Testkampagnen laufen zu lassen, die auch zufällig erzeugte Teststimuli beinhalten können oder, falls die gespeicherten Zustände modifizierbar sind, fehlerbehaftete Zustände in die Simulationsmodelle zu injizieren. Mein mit dieser Arbeit geleisteter Beitrag beinhaltet die Erweiterung des SoCRocket Frameworks um Checkpointing Funktionalität im Sinne einer Referenzimplementierung. Weiterhin ermöglicht die Integration der UVM SystemC Bibliothek in das Framework die Umsetzung der testgetriebenen Entwicklung und schnelle Validierung von SystemC/TLM Modellen mit Hilfe von Snapshots

RAPID CLOCK RECOVERY ALGORITHMS FOR DIGITAL MAGNETIC RECORDING AND DATA COMMUNICATIONS

SIGLEAvailable from British Library Document Supply Centre-DSC:DXN024293 / BLDSC - British Library Document Supply CentreGBUnited Kingdo

Space Communications: Theory and Applications. Volume 3: Information Processing and Advanced Techniques. A Bibliography, 1958 - 1963

Annotated bibliography on information processing and advanced communication techniques - theory and applications of space communication

Mission Control Center (MCC) System Specification for the Shuttle Orbital Flight Test (OFT) Timeframe

System specifications to be used by the mission control center (MCC) for the shuttle orbital flight test (OFT) time frame were described. The three support systems discussed are the communication interface system (CIS), the data computation complex (DCC), and the display and control system (DCS), all of which may interfere with, and share processing facilities with other applications processing supporting current MCC programs. The MCC shall provide centralized control of the space shuttle OFT from launch through orbital flight, entry, and landing until the Orbiter comes to a stop on the runway. This control shall include the functions of vehicle management in the area of hardware configuration (verification), flight planning, communication and instrumentation configuration management, trajectory, software and consumables, payloads management, flight safety, and verification of test conditions/environment

Shuttle Ku-band and S-band communications implementations study

The interfaces between the Ku-band system and the TDRSS, between the S-band system and the TDRSS, GSTDN and SGLS networks, and between the S-band payload communication equipment and the other Orbiter avionic equipment were investigated. The principal activities reported are: (1) performance analysis of the payload narrowband bent-pipe through the Ku-band communication system; (2) performance evaluation of the TDRSS user constraints placed on the S-band and Ku-band communication systems; (3) assessment of the shuttle-unique S-band TDRSS ground station false lock susceptibility; (4) development of procedure to make S-band antenna measurements during orbital flight; (5) development of procedure to make RFI measurements during orbital flight to assess the performance degradation to the TDRSS S-band communication link; and (6) analysis of the payload interface integration problem areas

Systematische Transaction-Level-Kommunikations-Modellierung mit SystemC

An emerging approach to embedded system design is to assemble them from a library of hardware and software component models (IP, intellectual property) using a system description language, such as SystemC. SystemC allows describing the communication among IPs in terms of abstract operations (transactions). The promise is that with transaction-level modeling (TLM), future systems-on-chip with one billion transistors and more can be composed out of IPs as simply as playing with LEGO bricks. However, reality is far out. In fact, each IP vendor promotes another proprietary interface standard and the provided design tools lack compatibility, such that heterogeneous IPs cannot be integrated efficiently. A novel generic interconnect fabric for TLM is presented which aims at enabling inter-operation between models of different levels of abstraction (mixed-mode) and models with different interfaces (heterogeneous components), with as little overhead as possible. A generic, protocol independent representation of transactions is developed, among with an abstraction level formalism. This approach is shown to support systematic simulation of state-of-the-art buses and networks-on-chip such as IBM CoreConnect and PCI Express over several levels of TLM abstraction. A layered simulation framework for SystemC, GreenBus, is developed to examine the proposed concepts. The thesis discusses new implementation techniques for communication modeling with SystemC which outperform the existing approaches in terms of flexibility, simulation accuracy, and performance. Based on these techniques, advanced concepts for TLM-based hardware/software co-design and FPGA prototyping are examined. Several experiments and a video processor case study highlight the efficiency of the approach and show its applicability in a TLM design flow.Eingebettete Systeme werden zunehmend auf Basis vorgefertigter Hard- und Softwarebausteine entwickelt, die in Form von Modellen (IP, Intellectual Property) vorliegen. Hierzu werden Systembeschreibungssprachen wie SystemC eingesetzt. SystemC ermöglicht, die Kommunikation zwischen IPs durch abstrakte Operationen, sog. Transaktionen zu beschreiben. Mit dieser Transaction-Level-Modellierung (TLM) sollen auch zukünftige Systeme mit 1 Milliarde Transistoren und mehr effizient entwickelt werden können. Idealerweise sollte das Hantieren mit IPs dabei so einfach sein wie das Spielen mit LEGO-Steinen. In der Realität sind jedoch IPs unterschiedlicher Hersteller nicht ohne weiteres integrierbar, und auch die Entwurfswerkzeuge sind nicht kompatibel. In dieser Doktorarbeit wird ein neuer, generischer Ansatz für die Transaction-Level-Modellierung mit SystemC vorgestellt, der Kommunikation zwischen Modellen auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen (Mixed-Mode) und mit unterschiedlichen Schnittstellen (heterogene Komponenten) möglich macht. Der zusätzlich benötigte Simulations- und Code-Aufwand ist minimal. Ein protokollunabhängiges Transaktionsmodell und ein formaler Ansatz zur Beschreibung von Abstraktionsebenen werden vorgestellt, mit denen verschiedenartige Busse und Networks-on-Chip wie IBM CoreConnect und PCI Express auf verschiedenen TLM-Abstraktionsebenen simuliert werden können. Ein modulares Simulationsframework für SystemC wird entwickelt (GreenBus), um die vorgeschlagenen Konzepte zu untersuchen. Anhand von GreenBus werden neue Implementierungstechniken diskutiert, die den existierenden Ansätzen in Flexibilität, Simulationsgenauigkeit und -geschwindigkeit überlegen sind. Die Vor- und Nachteile der entwickelten Techniken werden mit Experimenten belegt, und eine Videoprozessor-Fallstudie demonstriert die Effizienz des Ansatzes in einem TLM-basierten Entwurfsfluss