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Dependability Driven System Level Co-Design and Optimization of Embedded Systems

Islam, Shariful :
Dependability Driven System Level Co-Design and Optimization of Embedded Systems.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dependability Driven System Level Co-Design and Optimization of Embedded Systems
Language: English
Abstract:

Embedded systems are becoming pervasive in diverse application domains such as automotive, avionic, medical, control and their functionality is increasingly defined by software (SW). Such systems especially in safety-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 requirements in order to avoid any potential catastrophic consequences. More and more new and innovative functionality is being integrated into such systems, invariably leading to a heterogeneous environment consisting of applications of mixed-criticality (SC and non-SC), each with associated extra-functional requirements such as dependability, timing, resources and power consumption. Efficient 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 optimization of such embedded systems from requirements analysis phase through integration to the prototyping. We first develop the concept of a consolidated 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 approach through quantifying the various design objectives/variables. Our aim is to develop the design methodology for an integrated embedded architecture. A heuristic based systematic mapping process is elaborated for integrating varied criticality applications. A set of functional and extra-functional requirements and constraints are satisfied 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 application jobs with high criticality and a schedulability analysis is presented for guaranteeing the timeliness properties. The developed mapping algorithm generates an initial feasible solution and guides the optimization in a unified and efficient way. We develop a comprehensive multi variable optimization (MVO) framework which quantifies and optimizes a set of competing variables from dependability, real-time and resource perspectives. During the optimization process the satisfaction of constraints is maintained. The key aspect of the approach is to enhance dependability by using fault containment mechanisms including the quantification and estimation of the considered design variables. The 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. Throughout 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 transformation based design process.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Eingebettete Systeme sind in allen Bereichen der Automobil-, Avionik- und Kontrollanwendungen gegenwärtig und werden zunehmend durch Software (SW) definiert. Solche Systeme mit direkter Auswirkung auf die Zuverlässigkeit und Echtzeit müssen zuverlässig (fehlertolerant) genug sein und strenge Echtzeitanforderungen erfüllen um mögliche katastrophale Folgen wie den Verlust von Menschenleben, Schaden für die Umwelt oder den Verlust von Eigenschaften zu vermeiden. Die Integration von vielen neuen und innovativen Funktionalitäten in solche Systeme führt unweigerlich zu heterogenen Umgebungen, bestehend aus sicherheitskritischen als auch nicht-sicherheitskritischen Anwendungen (mixed-criticality), jeweils mit den damit verbundenen extrafunktionalen Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Echtzeit und Ressourcen. Effiziente System-Entwurfsmethoden und Techniken sind erforderlich, solch unterschiedliche Anwendungen in begrenzten Hardware (HW) Ressourcen zu integrieren. In dieser Dissertation entwickeln wir eine neue, verlässlichkeitsorientierte SW-HW Co-Design-Methode für die Systemebene, die den Entwicklungsprozess und die Optimierung solch eingebetteter Systeme von der Anforderungsanalyse über die Integrationsphase hin zur Realisierung des Prototypen in systematischer Weise führt. Zunächst entwickeln wir das Konzept einer gemeinsamen Abbildung von sicherheitskritischen als auch nicht-sicherheitskritischen Anwendungen auf eine gemeinsame, verteilte Rechnerarchitektur, so dass ihre operative Abgrenzung über die Integration erreicht wird. Weiterhin haben wir durch Quantifizierung der verschiedenen Entwurfsziele und Variablen einen optimierungsbasierten Co-Design-Ansatz erstellt. Unser Ziel ist es eine integrierte, eingebettete Architektur zu entwerfen. Ein systematischer, auf Heuristiken basierter Abbildungsprozess wird für die Integration von Anwendungen unterschiedlicher Kritikalität entwickelt. Eine Reihe von funktionalen und extra-funktionalen Anforderungen und Randbedingungen sind während des Abbildungsprozesses erfüllt. Schon in der frühen Entwurfsphase berücksichtigt der Abbildungsprozess strenge Designstrategien wie Fehlertoleranz, Fehlereingrenzung, robuste Partitionierung, Echtzeit, Ressourcen- und Energieverbrauch. Zuverlässigkeit wird durch Replikation von Anwendungen mit hoher Kritikalität garantiert, die Echtzeiteigenschaften durch eine Schedulability-Analyse gewährleistet. Der entwickelte Abbildungsalgorithmus generiert zuerst eine zulässige Lösung und führt dann die Optimierung in einheitlicher und effizienter Weise durch. Ein umfassendes Rahmenwerk für eine Multi-Variablen-Optimierung (MVO) wird entwickelt, das eine Reihe von konkurrierenden Variablen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Echtzeit und Ressourcenverbrauch quantifiziert und optimiert. Während des ganzen Optimierungsprozesses wird die Einhaltung der Randbedingungen garantiert. Der wichtigste Aspekt dieses Konzepts ist die Erhöhung der Zuverlässigkeit durch die Verwendung von Fehlereingrenzungsmechanismen wie Quantifizierung und Abschätzung der betrachteten Design-Variablen. Das Rahmenwerk wird dahingehend erweitert, dass die Zuverlässigkeit des Systems und der Stromverbrauch auf Systemebene als Design-Variablen quantifiziert und modelliert werden. Zur Evaluierung und Validierung der in dieser Dissertation entwickelten Methoden und Techniken werden umfangreiche Experimente durchgeführt. Im gesamten Verlauf der vorliegenden Arbeit, werden unsere Ideen und Konzepte anhand von praxisnahen Beispielen aus der Automobilentwicklung erläutert (wobei der Einsatz dieser Techniken zugleich validiert wird). Das Konzept wird auf eine Sammlung von Werkzeugen angewendet wobei wir einen Prototypen unseres Co-Design Ansatzes für die Systemebene entwickeln. Der Prototyp wird gemäß den Vorgaben eines transformationsbasierten Entwurfsprozesses erstellt.German
Uncontrolled Keywords: Embedded Systems, Dependability, Real-Time, Co-Design/Integration, Mapping, Optimization.
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Embedded Systems, Dependability, Real-Time, Co-Design/Integration, Mapping, Optimization.English
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: Fachbereich Informatik > Dependable, Embedded Systems & Software Group (DEEDS Group)
Date Deposited: 30 Jan 2009 11:53
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-12247
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Suri, Prof. Neeraj and Pataricza, Prof. Andras
Refereed: 10 December 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1224
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