Virtual Timing Isolation for Mixed-Criticality Systems

Commercial of the shelf multicore processors suffer from timing interferences between cores which complicates applying them in hard real-time systems like avionic applications. This paper proposes a virtual timing isolation of one main application running on one core from all other cores. The proposed technique is based on hardware external to the multicore processor and completely transparent to the main application i.e., no modifications of the software including the operating system are necessary. The basic idea is to apply a single-core execution based Worst Case Execution Time analysis and to accept a predefined slowdown during multicore execution. If the slowdown exceeds the acceptable bounds, interferences will be reduced by controlling the behavior of low-critical cores to keep the main application\u27s progress inside the given bounds. Apart from the main goal of isolating the timing of the critical application a subgoal is also to efficiently use the other cores. For that purpose, three different mechanisms for controlling the non-critical cores are compared regarding efficient usage of the complete processor. Measuring the progress of the main application is performed by tracking the application\u27s Fingerprint. This technology quantifies online any slowdown of execution compared to a given baseline (single-core execution). Several countermeasures to compensate unacceptable slowdowns are proposed and evaluated in this paper, together with an accuracy evaluation of the Fingerprinting. Our evaluations using the TACLeBench benchmark suite show that we can meet a given acceptable timing bound of 4 percent slowdown with a resulting real slowdown of only 3.27 percent in case of a pulse width modulated control and of 4.44 percent in the case of a frequency scaling control

Industrial Application of a Partitioning Scheduler to Support Mixed Criticality Systems

The ever-growing complexity of safety-critical control systems continues to require evolution in control system design, architecture and implementation. At the same time the cost of developing such systems must be controlled and importantly quality must be maintained. This paper examines the application of Mixed Criticality System (MCS) research to a DAL-A aircraft engine Full Authority Digital Engine Control (FADEC) system which includes studying porting the control system\u27s software to a preemptive scheduler from a non-preemptive scheduler. The paper deals with three key challenges as part of the technology transitions. Firstly, how to provide an equivalent level of fault isolation to ARINC 653 without the restriction of strict temporal slicing between criticality levels. Secondly extending the current analysis for Adaptive Mixed Criticality (AMC) scheduling to include the overheads of the system. Finally the development of clustering algorithms that automatically group tasks into larger super-tasks to both reduce overheads whilst ensuring the timing requirements, including the important task transaction requirements, are met

Industrial Application of a Partitioning Scheduler to Support Mixed Criticality Systems

The ever-growing complexity of safety-critical control systems continues to require evolution in control system design, architecture and implementation. At the same time the cost of developing such systems must be controlled and importantly quality must be maintained. This paper examines the application of Mixed Criticality System (MCS) research to a DAL-A aircraft engine Full Authority Digital Engine Control (FADEC) system which includes studying porting the control system’s software to a preemptive scheduler from a non-preemptive scheduler. The paper deals with three key challenges as part of the technology transitions. Firstly, how to provide an equivalent level of fault isolation to ARINC 653 without the restriction of strict temporal slicing between criticality levels. Secondly extending the current analysis for Adaptive Mixed Criticality (AMC) scheduling to include the overheads of the system. Finally the development of clustering algorithms that automatically group tasks into larger super-tasks to both reduce overheads whilst ensuring the timing requirements, including the important task transaction requirements, are met

A Survey of Timing Verification Techniques for Multi-Core Real-Time Systems

This survey provides an overview of the scientific literature on timing verification techniques for multi-core real-time systems. It reviews the key results in the field from its origins around 2006 to the latest research published up to the end of 2018. The survey highlights the key issues involved in providing guarantees of timing correctness for multi-core systems. A detailed review is provided covering four main categories: full integration, temporal isolation, integrating interference effects into schedulability analysis, and mapping and allocation. The survey concludes with a discussion of the advantages and disadvantages of these different approaches, identifying open issues, key challenges, and possible directions for future research

Compileroptimierung und parallele Code-Generierung für zeitkritische eingebettete Multiprozessorsysteme

Durch den voranschreitenden Trend der Digitalisierung gewinnen intelligente digitale Systeme in vielen Bereichen des täglichen Lebens zunehmend an Bedeutung. Dies betrifft insbesondere auch den Bereich sicherheitskritischer Echtzeitsysteme, für deren sicheren Betrieb die Echtzeitfähigkeit nachgewiesen werden muss. Im Gegensatz zu Anwendungsfeldern ohne diese Anforderung sind effiziente Mehrkernprozessoren in Echtzeitsystemen derzeit noch kaum verbreitet. Der Hauptgrund für die bisherige Dominanz der Einzelkernprozessoren sind fehlende Methoden und Werkzeuge, um parallele Echtzeit-Software für Mehrkernprozessoren zu entwickeln und selbst im ungünstigsten Fall noch eine maximale Ausführungszeit (englisch Worst Case Execution Time, kurz WCET) garantieren zu können. In diesem Kontext besteht eines der wesentlichen Probleme darin, dass sich parallel ablaufende Software-Routinen im Hinblick auf ihre Laufzeit gegenseitig beeinflussen können. In Mehrkernprozessoren geschieht dies vor allem bei gleichzeitigen Zugriffen mehrerer Kerne auf eine gemeinsam genutzte Hardware-Ressource. Geeignete Methoden, um den Einfluss dieser als Interferenz bezeichneten Effekte bei der Software-Entwicklung präzise vorherzusagen und sichere Garantien für die Ausführungszeit abzuleiten, sind Gegenstand aktueller Forschung. Gleiches gilt für Software-Werkzeuge zur automatischen Parallelisierung, die auf harte Echtzeitanwendungen spezialisiert sind. Diese Arbeit zielt darauf ab, die Anwendbarkeit von Mehrkernprozessoren in Echtzeitsystemen durch Beiträge in den Bereichen der automatischen Software-Parallelisierung, Code-Optimierung und Hardware-Modellierung signifikant zu verbessern. Als Bestandteil einer Werkzeugkette zur automatischen Parallelisierung von sequentieller Echtzeit-Software wird in dieser Arbeit ein Compiler-Werkzeug zur WCET-optimierten parallelen Code-Generierung und ein zugehöriges paralleles Programmiermodell vorgestellt. Hierdurch können -- weitgehend ohne Zutun eines Endanwenders -- gut vorhersagbare parallele Programme erzeugt werden. Durch das Programmiermodell wird dabei sichergestellt, dass die Ausführungszeit, einschließlich der Interferenzeffekte, mit Hilfe einer statischen WCET-Analyse sicher nach oben abgeschätzt werden kann. Als Teil der Code-Generierung stellt die vorliegende Arbeit zwei Optimierungsmethoden vor, die zum einen den Kommunikations- und Synchronisationsaufwand zwischen den Prozessorkernen reduzieren und zum anderen die optimierte Allokation verteilter Speicher in heterogenen Speicherhierarchien ermöglichen. Erstere ist auf des parallele Programmiermodell abgestimmt und erlaubt die optimierte Platzierung von Kommunikations- und Synchronisationsoperationen sowie das Entfernen redundanter Synchronisation auf einer feingranularen Ebene. Die Optimierung der Speicherallokation ergänzt den Ansatz um ein formales Optimierungsmodell zur Zuweisung der Datenfelder eines generierten Programms zu den Speicherbereichen der Zielplattform. Das Modell bezieht dabei sowohl die Kosten für Interferenzeffekte als auch die Speicherhierarchie von Zielplattformen mit verteilten und heterogenen Speichern mit ein. Um die Schritte zur Generierung, Optimierung und Analyse von paralleler Echtzeit-Software weitgehend plattformunabhängig aufbauen zu können, beinhaltet die vorliegende Arbeit außerdem einen Ansatz zur generischen Modellierung von Mehrkernprozessorarchitekturen. Dieser erlaubt es, die Zielplattform mit Hilfe einer entsprechend erweiterten Architekturbeschreibungssprache (ADL) zu beschreiben, wodurch sich die darauf aufbauenden Entwicklungswerkzeuge mit überschaubarem Aufwand auf ein breites Spektrum von Hardware-Plattformen anwenden lassen. Mit dieser neuartigen Kombination erweitert die vorliegende Arbeit den Stand der Technik um einige wesentliche Bausteine, die die weitgehend automatisierte Parallelisierung von Echtzeit-Software ohne stark einschränkende Annahmen bezüglich der Struktur des Eingabeprogramms ermöglichen. Zu den weiteren Neuerungen dieser Arbeit zählen die Plattformunabhängigkeit bei der WCET-optimierten Software-Parallelisierung und die Berücksichtigung von Interferenzeffekten bei der Speicherallokation in Echtzeitsystemen. Die experimentelle Evaluation der vorgestellten Methoden und deren prototypischer Umsetzung zeigt, dass die WCET aller betrachteten Testanwendungen von der Parallelisierung profitieren kann. Auf einer Plattform mit vier Prozessorkernen konnte z.B. die WCET einer Anwendung aus dem Bereich der Bildverarbeitung durch die Parallelisierung im Vergleich zum sequentiellen Eingabeprogramm um Faktor 3,21 verbessert werden. Auch die Optimierungsansätze für Kommunikation und Speicherallokation führen größtenteils zu einer deutlichen Verbesserung der WCET. So konnten die durch Interferenzen verursachten Kosten im Zuge der Speicherallokation z.B. um bis zu 49% reduziert werden. Insgesamt haben die Ergebnisse dieser Arbeit damit das Potential, die effiziente und kostengünstige Nutzung von Mehrkernprozessoren im Bereich harter Echtzeitsysteme wesentlich voranzutreiben