Zuverlässige und Energieeffiziente gemischt-kritische Echtzeit On-Chip Systeme

Multi- and many-core embedded systems are increasingly becoming the target for many applications that require high performance under varying conditions. A resulting challenge is the control, and reliable operation of such complex multiprocessing architectures under changes, e.g., high temperature and degradation. In mixed-criticality systems where many applications with varying criticalities are consolidated on the same execution platform, fundamental isolation requirements to guarantee non-interference of critical functions are crucially important. While Networks-on-Chip (NoCs) are the prevalent solution to provide scalable and efficient interconnects for the multiprocessing architectures, their associated energy consumption has immensely increased. Specifically, hard real-time NoCs must manifest limited energy consumption as thermal runaway in such a core shared resource jeopardizes the whole system guarantees. Thus, dynamic energy management of NoCs, as opposed to the related work static solutions, is highly necessary to save energy and decrease temperature, while preserving essential temporal requirements. In this thesis, we introduce a centralized management to provide energy-aware NoCs for hard real-time systems. The design relies on an energy control network, developed on top of an existing switch arbitration network to allow isolation between energy optimization and data transmission. The energy control layer includes local units called Power-Aware NoC controllers that dynamically optimize NoC energy depending on the global state and applications’ temporal requirements. Furthermore, to adapt to abnormal situations that might occur in the system due to degradation, we extend the concept of NoC energy control to include the entire system scope. That is, online resource management employing hierarchical control layers to treat system degradation (imminent core failures) is supported. The mechanism applies system reconfiguration that involves workload migration. For mixed-criticality systems, it allows flexible boundaries between safety-critical and non-critical subsystems to safely apply the reconfiguration, preserving fundamental safety requirements and temporal predictability. Simulation and formal analysis-based experiments on various realistic usecases and benchmarks are conducted showing significant improvements in NoC energy-savings and in treatment of system degradation for mixed-criticality systems improving dependability over the status quo.Eingebettete Many- und Multi-core-Systeme werden zunehmend das Ziel für Anwendungen, die hohe Anfordungen unter unterschiedlichen Bedinungen haben. Für solche hochkomplexed Multi-Prozessor-Systeme ist es eine grosse Herausforderung zuverlässigen Betrieb sicherzustellen, insbesondere wenn sich die Umgebungseinflüsse verändern. In Systeme mit gemischter Kritikalität, in denen viele Anwendungen mit unterschiedlicher Kritikalität auf derselben Ausführungsplattform bedient werden müssen, sind grundlegende Isolationsanforderungen zur Gewährleistung der Nichteinmischung kritischer Funktionen von entscheidender Bedeutung. Während On-Chip Netzwerke (NoCs) häufig als skalierbare Verbindung für die Multiprozessor-Architekturen eingesetzt werden, ist der damit verbundene Energieverbrauch immens gestiegen. Daher sind dynamische Plattformverwaltungen, im Gegensatz zu den statischen, zwingend notwendig, um ein System an die oben genannten Veränderungen anzupassen und gleichzeitig Timing zu gewährleisten. In dieser Arbeit entwickeln wir energieeffiziente NoCs für harte Echtzeitsysteme. Das Design basiert auf einem Energiekontrollnetzwerk, das auf einem bestehenden Switch-Arbitration-Netzwerk entwickelt wurde, um eine Isolierung zwischen Energieoptimierung und Datenübertragung zu ermöglichen. Die Energiesteuerungsschicht umfasst lokale Einheiten, die als Power-Aware NoC-Controllers bezeichnet werden und die die NoC-Energie in Abhängigkeit vom globalen Zustand und den zeitlichen Anforderungen der Anwendungen optimieren. Darüber hinaus wird das Konzept der NoC-Energiekontrolle zur Anpassung an Anomalien, die aufgrund von Abnutzung auftreten können, auf den gesamten Systemumfang ausgedehnt. Online- Ressourcenverwaltungen, die hierarchische Kontrollschichten zur Behandlung Abnutzung (drohender Kernausfälle) einsetzen, werden bereitgestellt. Bei Systemen mit gemischter Kritikalität erlaubt es flexible Grenzen zwischen sicherheitskritischen und unkritischen Subsystemen, um die Rekonfiguration sicher anzuwenden, wobei grundlegende Sicherheitsanforderungen erhalten bleiben und Timing Vorhersehbarkeit. Experimente werden auf der Basis von Simulationen und formalen Analysen zu verschiedenen realistischen Anwendungsfallen und Benchmarks durchgeführt, die signifikanten Verbesserungen bei On-Chip Netzwerke-Energieeinsparungen und bei der Behandlung von Abnutzung für Systeme mit gemischter Kritikalität zur Verbesserung die Systemstabilität gegenüber dem bisherigen Status quo zeigen