Deployment designs for multi-core real-time systems
In modern embedded automotive systems, multi-core processors are used to provide higher execution performance and more computing capacity. However, they influence the way these systems are designed. Each change of the platform and application software results in an effort required to ensure and validate the functional correctness and timing requirements of these systems in a multi-core platform. For this reason, the use of the Logical Execution Time (LET) paradigm is advantageous for multi-core systems, as it satisfies these requirements by providing time and dataflow determinism, thereby reducing the development cycle and the impact of the platform in the design of such systems.
To integrate LET into these systems, special mechanisms are required to satisfy its semantics. Therefore, this work focuses on buffering and scheduling techniques for resource efficient integration of LET in automotive systems. A buffering mechanism and an automatic schedule synthesis are proposed to guarantee functional correctness, timing requirements, and LET semantics and to reduce the increased demands of LET for memory and processor resources. A static and global buffering protocol is proposed, which compared to lock-based protocols has plausible memory needs and zero-communication overheads at the boundaries of LET intervals. The automatic schedule synthesis considers the Operating System (OS) overheads such that scheduling is optimized with respect to context-switching overheads caused by preemption. Buffering implements most of the LET semantics, but it provides no guarantee that tasks execute within their LET intervals. If scheduling is not designed to ensure that all tasks execute within their LET intervals, then functional correctness and LET semantics are violated. The manual design of a feasible schedule that satisfies the semantics and additional requirements of the application is inefficient and requires a significant amount of effort. Therefore, an automatic schedule generation approach for the Fixed-Priority Scheduling (FPS) and Time-Triggered Scheduling (TTS) is proposed. FPS is the widely used mechanism in the automotive domain because of its flexibility to handle dynamic changes of highly event-driven applications. Recently, TTS has attracted considerable attention in this domain to increase deterministic execution of tasks and efficient planning of processor resources. Therefore, schedule synthesis of FPS and TTS is provided to identify the efficiency, practicality, and resource optimization abilities of each approach for LET systems.
To show the practicality of LET for industrial automotive systems, its integration into the software architecture of the classic platform of AUTomotive Open System Architecture (AUTOSAR) is described and a case study is conducted using a real world system.
In modernen eingebetteten Systemen des Automobilbereichs werden Mehrkernprozessoren
eingesetzt, um schnellere Ausführungsgeschwindigkeiten und höhere Rechenkapazitäten
zu bekommen. Sie beeinflussen jedoch die Art und Weise, wie solche
Systeme entworfen werden. Jedes Mal, wenn sich die Plattform oder die Anwendungssoftware
ändert, hat dies den Aufwand zur Folge der benötigt wird, um die
funktionale Korrektheit und die zeitlichen Anforderungen dieser Systeme in einer
Mehrkernplattform sicherzustellen und zu validieren. Abhilfe schafft die Verwendung
des Logical Execution Time (LET)-Paradigmas, da es Zeit- und Datenflussdeterminismus
bietet und dadurch den Entwicklungszyklus verkürzt und den Einfluss der Plattform
auf den Entwurf solcher Systeme reduziert.
Für die Integration von LET in Automobilsysteme, sind spezielle Mechanismen erforderlich,
um dessen Semantik zu erfüllen. So werden ein Puffermechanismus und
die automatische Synthese eines Schedulings vorgeschlagen, um die funktionale
Korrektheit, die zeitlichen Anforderungen und die LET-Semantik zu gewährleisten
und die erhöhten Anforderungen von LET an Speicher- und Prozessorressourcen
zu reduzieren. Das statische und globale Pufferprotokoll besitzt im Vergleich zu
Protokollen mit Zugriffssperren einen plausiblen Speicherbedarf und benötigt keinen
Mehraufwand durch Kommunikation an den Grenzen der LET-Intervalle. Die automatische
Synthese des Schedulings berücksichtigt das darunter liegende Betriebssystems
(OS), wodurch der Mehraufwand durch Kontextwechsel reduziert wird.
Die Pufferung realisiert den größten Teil der LET-Semantik, aber bietet keine Garantie
dafür, dass Prozesse innerhalb ihrer LET-Intervalle ausgeführt werden. Denn für
eine funktionale Korrektheit wird ein entsprechend ausgelegtes Scheduling benötigt.
Der manuelle Entwurf eines realisierbaren Schedulings, der die Semantik und die
zusätzlichen Anforderungen der Anwendung erfüllt, ist ineffizient und erfordert
einen erheblichen Aufwand. Daher wird ein automatischer Ansatz für das Fixed-
Priority Scheduling (FPS) und das Time-Triggered Scheduling (TTS) vorgestellt und deren
Effizienz, Praktikabilität und die Fähigkeiten zur Ressourcenoptimierung für LETSysteme
ermittelt. FPS ist wegen seiner Flexibilität bei dynamischen Änderungen
von stark ereignisgesteuerten Anwendungen der weit verbreitetste Mechanismus
im Automobilbereich. Um die deterministische Ausführung von Prozessen und die
effiziente Planung von Prozessorressourcen zu verbessern, hat TTS in diesem Bereich
in letzter Zeit erhebliche Aufmerksamkeit erregt.
Die Praxistauglichkeit von LET für industrielle Automobilsysteme wird schließlich
gezeigt, indem beschrieben wird, wie es sich in die Classic Plattform der AUTomotive
Open System ARchitecture (AUTOSAR) integrieren lässt und eine Fallstudie anhand
einer realen Anwendung durchgeführt wird.
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