A dynamically reconfigurable hard-real-time communication protocol for embedded systems

Abstract

Echtzeitkommunikation ist eine Grundanforderung für viele verteilte eingebettete Systeme. Für eine neue Klasse von Anwendungen sind jedoch nicht nur Echtzeitfähigkeit, sondern auch Flexibilität und Anpassungsfähigkeit notwendige System-Attribute. Um die Flexibilität zu erhöhen, wurde in dieser Arbeit ein neues Kommunikationsprotokoll namens TrailCable konzipiert. Es profitiert von den Eigenschaften des Earliest Deadline First Scheduling-Verfahrens, wie z. B. der optimalen Ausnutzung von Ressourcen und der Unterstützung von heterogenen Tasks. Ein Kommunikationsnetzwerk wird aufgebaut mit Hilfe von voll-Duplex-, Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, wobei die Knoten Datenpakete weiterleiten können, um eine Multi-hop Übertragung zu gewährleisten. Es werden Methoden vorgestellt, die es erlauben, automatisch die Kommunikationsanforderungen erfüllende Echtzeit-Kanäle auf das Netzwerk abzubilden. Echtzeit-Kanäle können nur dann aktiviert werden, wenn im Voraus ein Akzeptanztest erfolgreich durchgeführt wurde. Solch eine Prüfung kann mittels eines Tools automatisch erfolgen. Alle dafür notwendigen Netzwerkinformationen werden aus XML-Dateien eingelesen. Zur Laufzeit prüft ein Mechanismus, der Bandbreitenwächter genannt wird, ob die eingelesenen Pakete mit ihrer Spezifikation übereinstimmen, damit Fehler die Echzeitfähigkeit anderer Kanäle nicht beeinträchtigen können. Zeitkritische Funktionen des Kommunikationsprotokolls, wie Scheduling, Bandbreitenwächter, Routing und Uhrsynchronisation, sind mittels dedizierter Hardware implementiert. Ein voll funktionsfähiger FPGA-basierter Prototyp wurde aufgebaut und in zahlreichen Tests evaluiert, um das Echtzeit-Verhalten des Protokolls unter realen Bedingungen zu testen und zu analysieren.Real-time communication is a basic requirement for many distributed embedded systems. However, for an emerging new class of applications not only real-time behavior but also flexibility and adaptability will become necessary system attributes. In order to increase the flexibility of real-time communication systems a new protocol called TrailCable was designed. It takes advantage of the properties of Earliest Deadline First (EDF) scheduling, which include optimal utilization bounds and the possibility to cope with heterogeneous task sets. A communication network is built with full-duplex, point-to-point links, and nodes can route packets to allow multi-hop message delivery. This work introduces methods for automatically mapping real-time channels on a given network directly from communication requirement specifications. The activation of real-time channels in the network is permitted only after a successful schedulability analysis, which can be executed automatically by a tool that checks XML-based network configuration models. At run-time, the characteristics of all incoming packets are checked against their specification by an admission control technique called bandwidth guardian, which is used to ensure that occasional faults will not impair the timeliness of other real-time channels. Time-critical functions of the communication protocol, such as scheduling, admission control, packet routing, and clock synchronization, are implemented by means of dedicated hardware. A fully operational FPGA-based prototype was built and used in different measurement experiments to validate the real-time behavior of the protocol under real conditions.Tag der Verteidigung: 02.04.2012Paderborn, Univ., Diss., 201