A timing model for real-time control-systems and its application on simulation and monitoring of AUTOSAR systems [Elektronische Ressource] / Patrick Christopher Frey

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• Publié le: 01 janvier 2010
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• Langue: English
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Extrait

A Timing Model for Real-Time Control-Systems
and its Application on Simulation
and Monitoring of AUTOSAR Systems
Dissertation
Patrick Frey
Universität Ulm
2010
Patrick Frey - A Timing Model for Real-Time Control Systems and its Application on AUTOSAR SystemsA Timing Model for Real-Time Control-Systems and its
Application on Simulation and Monitoring of AUTOSAR
Systems
DISSERTATION
zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.
der Fakult at fur Ingenieurwissenschaften und Informatik
der Universit at Ulm
Patrick Christopher Frey
aus G oppingen
Universit at Ulm
Fakult at fur Ingenieurwissenschaften und Informatik
Institut fur Programmiermethodik und Compilerbau
Institutsdirektor: Prof. Dr. Helmuth Partsch
2010Amtierender Dekan: Prof. Dr.-Ing. Klaus Dietmayer
Erstgutachter: Prof. Dr. rer. nat. Helmuth Partsch
Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. Frank Slomka
Drittgutachter: Prof. Dr. h.c. Peter G ohner
Tag der Promotion: 6. Dezember 2010A Timing Model for Real-Time Control-Systems and its
Application on Simulation and Monitoring of AUTOSAR
Systems
Abstract
AUTOSAR is a common initiative of the automotive industry with the goal to
standardize substantial aspects of the software development for automotive embed-
ded systems by covering them in an integrated, rigorous approach. For this purpose,
AUTOSAR de nes a multitude of concepts such as a standardized software architec-
ture for electronic control units, a software component technology and a development
methodology.
Many automotive applications which are realized in software are real-time ap-
plications, i.e., applications where certain timing requirements are imposed on the
temporal execution in an embedded computer system. The AUTOSAR standard
does not yet provide concepts in order to express application-speci c timing require-
ments and to evaluate their degree of ful llment. The goal of this thesis is to enable
the description of application-speci c timing requirements in AUTOSAR systems
and to provide a means to evaluate their degree of ful llment.
In this thesis, timing requirements are mainly considered in the context of a speci c
yet important class of real-time applications: control applications. Compared to
classic deadline-centric timing requirements of reactive applications, these impose
speci c timing requirements towards the execution in an embedded computer system.
These stem from the discrete-time realization of continuous-time descriptions of
dynamic processes. For example, the minimization of the latency between a sensor
data acquisition and an output data actuation that is based upon the sensor data is
such a timing requirement, or the maintenance of constant sensor data acquisition
rates and output data actuation rates.
The formal description of timing requirements of real-time applications is a speci c
challenge. Timing requirements such as those on reaction times or path latencies
must be formulated with respect to input and output signals that stand in causal
relation to each other, i.e., with respect to input and output signals for which there
exists a continuous signal path in the embedded computer system. The description
of the signal path is, however, the complex challenge: the employment of concepts
for modularization and hierarchical composition used for the description of function
and software architectures leads to a segmentation of signal paths such that there are
currently no adequate means to describe signal paths. Consequently, application-
speci c timing requirements cannot be adequately described.A solution for the description of signal paths and the determination of timing
properties is provided in this thesis. The introduced concepts allow the description
of signal paths as chains of cause-and-e ect on the basis of events and actions that
need to be observed in a system. The event chains denote signal paths that can
then be associated with timing requirements. A special concept for the hierarchi-
cal description of these chains of cause-and-e ect allows the seamless integration
with concepts for modularization as employed in component-based development ap-
proaches. From the hierarchical signal path speci cations, an instrumentation of the
source code of the embedded computer system can be automatically derived such
instances of events and actions can be captured during simulation- or monitoring ex-
periments. Furthermore, new kinds of path analysis algorithms are introduced that
allow the determination of e ective instances of chains of cause-and-e ect and signal
paths on the basis event traces recorded from simulation- or monitoring experiments.
From the e ective path instances determined by means of the path analysis algo-
rithms, timing properties can be derived (e.g., reaction times, path delays). These
can then visualized by means of a new type of diagram introduced in the thesis, the
so-called Timing Oscilloscope Diagram, such that the degree of ful llment of the
timing requirements can be directly evaluated.
The results of the work presented in this thesis not only provide the necessary
concepts for a Timing Model for AUTOSAR, they are also important in a more gen-
eral context: they o er an integrated approach rstly for an adequate description
of application-speci c timing requirements, especially those of control applications,
based on descriptions of signal paths, and secondly for the determination and vi-
sualization of corresponding timing properties such that the degree of ful llment of
the latter can be evaluated. These results can be applied also in other domains that
are currently not addressed by AUTOSAR such as the aerospace and automation
domains where embedded real-time applications, especially control applications, can
also be found.A Timing Model for Real-Time Control-Systems and its
Application on Simulation and Monitoring of AUTOSAR
Systems
Kurzfassung
AUTOSAR ist eine gemeinsame Initiative der Automobilindustrie mit dem Ziel
wesentliche Aspekte der Softwareentwicklung fur eingebettete Systeme im Automo-
bil zu standardisieren und ganzheitlich abzudecken. Hierzu de niert AUTOSAR eine
Vielzahl an Konzepten, darunter eine standardisierte Steuerger atesoftwarearchitek-
tur, eine Softwarekomponententechnologie und eine Entwicklungsmethodik.
Viele Anwendungen im Automobil, die in Software realisiert werden, sind Echt-
zeitanwendungen, d.h. Anwendungen, die bestimmte zeitliche Anforderungen an
die Ausfuhrung in einem eingebetteten Rechnersystem stellen. Der AUTOSAR
Standard bietet bislang jedoch noch keine Konzepte, um anwendungsspezi sche
zeitliche Anforderungen zu formulieren und den Grad ihrer Erfullung zu ub erprufen.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Beschreibung anwendungsspezi scher zeitlicher An-
forderungen in AUTOSAR Systemen zu erm oglichen und eine M oglichkeit zu bieten
den Grad ihrer Erfullung zu ub erprufen.
In dieser Arbeit werden zeitliche Anforderungen haupts achlich im Kontext einer
bestimmten, jedoch wichtigen Klasse von Echtzeitanwendungen, den regelungstech-
nischen Anwendungen, betrachtet. Sie stellen neben den klassischen Echtzeit-
anforderungen reaktiver Systeme besondere zeitliche Anforderungen an eine Im-
plementierung in einem eingebetteten Rechnersystem. Diese ergeben sich aus
der zeitdiskreten Realisierung von zeitkontinuierlichen Beschreibungen dynamischer
Prozesse. Zu den zeitlichen Anforderungen ahltz beispielsweise die Minimierung der
Latenzzeit zwischen einer Sensordatenerfassung und einer darauf basierten Aktua-
toransteuerung, oder die Aufrechterhaltung konstanter Sensordatenerfassungsraten
und Ausgangsdatenaktuierungsraten.
Die formale Modellierung zeitlicher Anforderungen von Echtzeitanwendungen
stellt eine besondere Herausforderung dar. Zeitliche Anforderungen wie beispiels-
weise Reaktionszeiten oder Pfadlatenzzeiten mussen in Bezug auf in kausaler Rela-
tion stehender Eingangs- und Ausgangssignale formuliert werden, d.h. in Bezug auf
Eingangs- und Ausgangssignale zwischen denen es im eingebetteten Rechnersystem
einen durchg angigen Signalpfad gibt. Die Beschreibung des Signalpfads stellt dabei
die besonders komplizierte Herausforderung dar: die Verwendung von Konzepten
zur Modularisierung und Hierarchiebildung bei der Beschreibung von Funktions-
und Softwarearchitekturen fuhrt zu einer Segmentierung von Signalpfaden, so dasses bislang keine passenden Konzepte zur Beschreibung von Signalpfaden gibt und
zeitliche Anforderungen somit auch nicht angemessen modelliert werden k onnen.
Eine L osung fur die Spezi kation von Signalpfaden und der Bestimmung von
Zeiteigenschaften wird in dieser Arbeit vorgestellt. Die eingefuhrten Konzepte
erm oglichen es, Signalpfade in Form von Wirkketten auf der Basis von zu be-
obachtenden Ereignissen und Aktionen zu modellieren und mit zeitlichen An-
forderungen zu verknupfen. Ein spezielles Konzept zur hierarchischen Beschreibung
von Wirkketten erlaubt eine nahtlose Integration mit Modularisierungskonzepten
wie sie in komponenten-basierten Entwicklungsans atzen verwendet werden. Von
den hierarchischen Signalpfadspezi kationen kann eine Instrumentierung des Quell-
codes des eingebetteten Rechnersystems abgeleitet werden, so dass Instanzen der
Ereignisse und Aktionen in Simulations- und Monitoringexperimenten erfasst wer-
den k onnen. Des Weiteren werden neue Pfadanalysealgorithmen vo