Dependability driven system level co-design and optimization of embedded systems [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Md. Shariful Islam

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 34
• Langue: English
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Extrait

Dependability Driven System Level Co-Design and
Optimization of Embedded Systems
Vom Fachbereich Informatik der Technischen Universit˜at Darmstadt
genehmigte
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.)
vorgelegt von
Md. Shariful Islam
aus Bangladesch
Referenten:
Prof. Neeraj Suri, Ph.D.
Prof. Andr¶as Pataricza, Ph.D.
Datum der Einreichung: 16.10.2008
Datum der mundlic˜ hen Prufung:˜ 10.12.2008
Darmstadt 2008
D17iiExecutive Summary
Embeddedsystemsarebecomingpervasiveindiverseapplicationdomains
such as automotive, avionic, medical, control and their functionality is in-
creasinglydeflnedbysoftware(SW).Suchsystemsespeciallyinsafety-critical
(SC) applications, with implications on system dependability and real-time
must be designed to be dependable (fault tolerant) enough and have to
meet timing requirementsin order to avoid anypotentialcatastrophic conse-
quences. Moreandmorenewandinnovativefunctionalityisbeingintegrated
into such systems, invariably leading to a heterogeneous environment con-
sisting of applications of mixed-criticality (SC and non-SC), each with asso-
ciated extra-functional requirements such as dependability, timing, resources
and power consumption. E–cient system design methods and techniques are
needed to be developed to integrate these diverse applications across limited
hardware (HW) resources.
This thesis develops a novel dependability-driven system level SW-HW
co-design methodology which systematically guides the design and optimiza-
tion of such embedded systems from requirements analysis phase through
integration to the prototyping. We flrst develop the concept of a consoli-
dated mapping of SC and non-SC applications onto a common distributed
computing architecture such that their operational delineation is maintained
over the integration. We then devise an optimization based co-design ap-
proach through quantifying the various design objectives/variables. Our aim
is to develop the design methodology for an integrated embedded architec-
ture.
A heuristic based systematic mapping process is elaborated for integrat-
ing varied criticality applications. A set of functional and extra-functional
requirements and constraints are satisfled during the mapping. At an early
design stage, the mapping considers rigorous design strategies such as fault
tolerance, fault/error containment, robust partitioning, timeliness, resource
and power consumption. Dependability is ensured through replication of ap-
plication jobs with high criticality and a schedulability analysis is presented
forguaranteeingthetimelinessproperties. Thedevelopedmappingalgorithm
generates an initial feasible solution and guides the optimization in a unifled
and e–cient way.
We develop a comprehensive multi variable optimization (MVO) frame-
work which quantifles and optimizes a set of competing variables from de-
pendability, real-time and resource perspectives. During the optimization
process the satisfaction of constraints is maintained. The key aspect of the
approachistoenhancedependabilitybyusingfaultcontainmentmechanisms
includingthequantiflcationandestimationoftheconsidereddesignvariables.
iiiThe framework is extended by quantifying and modeling the reliability and
system level power consumption as design variables.
In order to evaluate and validate the developed methods and techniques
presented in the thesis, we have performed extensive experiments. Through-
out the thesis we illustrate our ideas and concept using real-life automotive
examples (where these techniques were actually validated). The concept is
applied to a supporting tool set where we develop a prototype of the system
level co-design approach. The prototype is created adhering to a transfor-
mation based design process.
ivKurzfassung
Eingebettete Systeme sind in allen Bereichen der Automobil-, Avionik-
und Kontrollanwendungen gegenw˜artig und werden zunehmend durch Soft-
ware (SW) deflniert. Solche Systeme mit direkter Auswirkung auf die Zu-
verl˜assigkeit und Echtzeit mussen˜ zuverl˜assig (fehlertolerant) genug sein und
strengeEchtzeitanforderungenerfullen˜ umm˜oglichekatastrophaleFolgenwie
den Verlust von Menschenleben, Schaden fur˜ die Umwelt oder den Verlust
von Eigenschaften zu vermeiden. Die Integration von vielen neuen und
innovativen Funktionalitten in solche Systeme fuhrt˜ unweigerlich zu het-
erogenen Umgebungen, bestehend aus sicherheitskritischen als auch nicht-
sicherheitskritischenAnwendungen(mixed-criticality),jeweilsmitdendamit
verbundenenextrafunktionalenAnforderungenbezuglic˜ hZuverl˜assigkeit,Echt-
zeit und Ressourcen. E–ziente System-Entwurfsmethoden und Techniken
sind erforderlich, solch unterschiedliche Anwendungen in begrenzten Hard-
ware (HW) Ressourcen zu integrieren.
In dieser Dissertation entwickeln wir eine neue, verl˜asslichkeitsorientierte
SW-HWCo-Design-Methodefur˜ dieSystemebene,diedenEntwicklungsprozess
unddieOptimierungsolcheingebetteterSystemevonderAnforderungsanal-
yse ub˜ er die Integrationsphase hin zur Realisierung des Prototypen in sys-
tematischerWeisefuhrt.˜ Zun˜achstentwickelnwirdasKonzepteinergemein-
samenAbbildungvonsicherheitskritischenalsauchnicht-sicherheitskritischen
Anwendungen auf eine gemeinsame, verteilte Rechnerarchitektur, so dass
ihre operative Abgrenzung ub˜ er die Integration erreicht wird. Weiterhin
haben wir durch Quantiflzierung der verschiedenen Entwurfsziele und Vari-
ablen einen optimierungsbasierten Co-Design-Ansatz erstellt. Unser Ziel ist
es eine integrierte, eingebettete Architektur zu entwerfen.
Ein systematischer, auf Heuristiken basierter Abbildungsprozess wird fur˜
die Integration von Anwendungen unterschiedlicher Kritikalit˜at entwickelt.
EineReihevonfunktionalenundextra-funktionalenAnforderungenundRand-
bedingungen sind w˜ahrend des Abbildungsprozesses erfullt.˜ Schon in der
fruhen˜ Entwurfsphase beruc˜ ksichtigt der Abbildungsprozess strenge Design-
strategien wie Fehlertoleranz, Fehlereingrenzung, robuste Partitionierung,
Echtzeit, Ressourcen- und Energieverbrauch. Zuverl˜assigkeit wird durch
ReplikationvonAnwendungenmithoherKritikalit˜atgarantiert,dieEchtzeit-
eigenschaften durch eine Schedulability-Analyse gew˜ahrleistet. Der entwick-
elte Abbildungsalgorithmus generiert zuerst eine zul˜assige L˜osung und fuhrt˜
dann die Optimierung in einheitlicher und e–zienter Weise durch.
EinumfassendesRahmenwerkfur˜ eineMulti-Variablen-Optimierung(MVO)
wird entwickelt, das eine Reihe von konkurrierenden Variablen im Hinblick
auf Zuverl˜assigkeit, Echtzeit und Ressourcenverbrauch quantiflziert und op-
vtimiert. W˜ahrend des ganzen Optimierungsprozesses wird die Einhaltung
der Randbedingungen garantiert. Der wichtigste Aspekt dieses Konzepts ist
die Erh˜ohung der Zuverl˜assigkeit durch die Verwendung von Fehlereingren-
zungsmechanismen wie Quantiflzierung und Absch˜atzung der betrachteten
Design-Variablen. Das Rahmenwerk wird dahingehend erweitert, dass die
Zuverl˜assigkeit des Systems und der Stromverbrauch auf Systemebene als
Design-Variablen quantiflziert und modelliert werden. Zur Evaluierung und
Validierung der in dieser Dissertation entwickelten Methoden und Techniken
werden umfangreiche Experimente durchgefuhrt.˜ Im gesamten Verlauf der
vorliegenden Arbeit, werden unsere Ideen und Konzepte anhand von praxis-
nahenBeispielenausderAutomobilentwicklungerl˜autert(wobeiderEinsatz
dieser Techniken zugleich validiert wird). Das Konzept wird auf eine Samm-
lung von Werkzeugen angewendet wobei wir einen Prototypen unseres Co-
Design Ansatzes fur˜ die Systemebene entwickeln. Der Prototyp wird gem˜a…
den Vorgaben eines transformationsbasierten Entwurfsprozesses erstellt.
viAcknowledgements
Withgreatpleasure,Iwouldliketotakethisopportunitytothankallthe
peoplewhohavesupportedmeinthesuccessfulcompletionofthisthesis. At
flrstIwouldliketoexpressmysincerethankstomyadvisorProf. NeerajSuri
forhisexcellentsupervision,scholasticguidanceandconstructivesuggestions
duringthisfouryearsofworkingintheDEEDSgroup. Averyspecialthanks
to Prof. Andr¶as Pataricza for accepting to be my external supervisor.
I am very thankful to all my past and present colleagues including Ute
and Sabine in the DEEDS group for their support and for a nice working
environment. Some of my research work has been done in collaboration with
the EC DECOS project, thanks to several academic and industrial partners
for fruitful discussion during the project work. I have got the opportunity
to apply my developed concept in practice. I am also very grateful for the
flnancial support from that project.
Last but not least I would like to express my thank to my parents, my
wife and my siblings for their support, encouragement and love during this
time period.
viiviiiContents
Executive Summary iii
Kurzfassung v
Acknowledgements vii
1 Introduction 1
1.1 System Level Design and Challenges . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Dependability by Design and Optimization . . . . . . . . . . . 10
1.3 Problem Statement and Thesis Research Questions . . . . . . 13
1.4 Thesis Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Background and System Model 23
2.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .