Satisfying hard real-time constraints using COTS components

Abstract

L'utilizzo di componenti COTS (Commercial-Off-The-Shelf) è sempre più comune nella produzione di sistemi embedded real-time. Prodotti commerciali, come periferiche di Input/Output e bus di sistema, vengono utilizzati in sistemi real-time al fine di ridurre i costi, il tempo di produzione, ed aumentare le performance. Sfortunatamente, hardware e sistemi operativi COTS sono progettati principalmente per ottimizzare le performance, ma con poca attenzione verso determinismo, predicibilità ed affidabilità. Per questa ragione, molte problematiche devono ancora essere affrontate prima di un loro impiego in sistemi real-time ad alta criticita'. In questa tesi abbiamo centrato la nostra attenzione su alcune delle piu' importanti sorgenti di impredicibilita' che devono essere rimosse al fine di integrare hardware e software COTS in sistemi hard real-time. Come prima cosa abbiamo sviluppato ASMP-Linux, una variante di Linux che minimizza overhead e latenza del sistema operativo. Successivamente abbiamo progettato ed implementato un nuovo sistema di gestione dell'I/O, basato sul Real-Time Bridge, un nuovo componente hardware che fornisce isolamento temporale sui bus COTS e rimuove le interferenze fra periferiche di I/O. E' stato anche sviluppato un Multi-Flow Real-Time Bridge per assicurare predicibilita' nel caso di periferiche condivise. Infine abbiamo proposto PREM, un nuovo modello di esecuzione per sistemi real-time che elimina le interferenze fra periferiche e CPU, e quelle fra processi ad alta criticita' ed interruzioni hardware. Per ognuna delle nostre soluzioni saranno descritti in dettaglio gli aspetti teorici, l'implementazione dei prototipi ed i risultati sperimentali.Real-time embedded systems are increasingly being built using Commercial Off-The-Shelf (COTS) components such as mass-produced peripherals and buses to reduce costs, time-to-market, and increase performance. Unfortunately, COTS hardware and operating systems are typically designed to optimize average performance, instead of determinism, predictability, and reliability, hence their employment in high criticality real-time systems is still a daunting task. In this thesis, we addressed some of the most important sources of unpredictability which must be removed in order to integrate COTS hardware and software into hard real-time systems. We first developed ASMP-Linux, a variant of Linux, capable of minimizing both operating system overhead and latency. Next, we designed and implemented a new I/O management system, based on real-time bridges, a novel hardware component that provides temporal isolation on the COTS bus and removes the interference among I/O peripherals. A multi-flow real-time bridge has been also developed to address interperipheral interference, allowing predictable device sharing. Finally, we propose PREM, a new execution model for real-time systems which eliminates interference between peripherals and the CPU, as well as interference between a critical task and driver interrupts. For each of our solutions, we will describe in detail theory aspects, as well as prototype implementations and experimental measurements