Echtzeitsysteme
Echtzeitsysteme – Der Begriff Echtzeit ist einer der am meisten strapazierten Begriffe der Informatik und wird in den verschiedensten Zusammenhängen benutzt: Echtzeitstrategiespiel, Videobearbeitung in Echtzeit, Echtzeitsteuerung, Echtzeitkommunikation, und viele mehr. Tatsächlich zeichnen sich Echtzeitsysteme nicht durch ihre Geschwindigkeit, sondern durch ihre Kopplung an die (echte) Realzeit aus. Ihr Ziel ist die rechtzeitige Bereitstellung von Funktionen und Ergebnissen. Abhängig von der Betrachtungsebene spricht man allgemein von eingebetteten Systemen oder, um den regelungstechnischen Anteil hervorzuheben, von Cyber-Physical Systems. Entsprechend weit spannen sich die Forschungsaktivitäten des Lehrstuhls auf. Den Kern bilden hierbei Arbeiten im Bereich der klassischen Systemsoftware (Echtzeitbetriebssystem) und der Erforschung neuartiger Mechanismen zur Ablaufplanung und Koordinierung von Echtzeitaufgaben sowie deren Analyse hinsichtlich funktionaler und nicht-funktionaler Eigenschaften wie Zeit, Energie oder Ressourcenverbrauch.
Projekte:
maRE: Migrationsgewahre Laufzeitumgebung für Echtzeit- Mehrkernsysteme
Das Vorhaben entwickelt ein neuartiges Paradigma, um Prozessmigration in Mehrkern-Echtzeitsystemen zeitlich vorhersagbar zu gestalten. Kern des Ansatzes ist das Konzept der migrationsgewahren Laufzeitumgebung (migration-aware real-time executive), in welcher Migrationsentscheidungen anstatt auf globalen Lastparametern systematisch auf Grundlage von Hinweisen der unter (strikten) Echtzeitbedingungen ablaufenden Maschinenprogramme der Anwendungsebene getroffen werden. Diese sogenannten Migrationshinweise…
ARTE: Adaptive Softwareinfrastruktur betriebsmittelbeschränkter vernetzter Systeme (Phase 2)
Im Kontext der Gesamtvision der Forschergruppe BATS ist es das Ziel des Teilprojekts ARTE (adaptive run-time environment, TP 2) eine flexible Systemsoftwareunterstützung zu entwickeln. Diese soll es ermöglichen, für die Verhaltensbeobachtungen von Fledermäusen (TP 1) verteilte Datenstromanfragen (TP 3) auf einem heterogenen Sensornetzwerk (TP 4), bestehend aus stationären (TP 5) und mobilen (TP 7) Sensornetzwerkknoten, zu etablieren. Eine besondere Herausforderung stellen hierbei die knappen Ressourcen dar, im speziellen Speicher und Energie, sowie die wechselhafte Konnektivität der nur 2 g schweren mobilen Knoten. In Anbetracht dieser vielfältigen und teilweise konfligierenden Anforderungen soll ARTE in Form einer hochkonfigurierbaren Softwareproduktlinie realisiert werden. Ziel ist es, sowohl die unterschiedlichen funktionalen Anforderungen zwischen mobilen und stationären Knoten zu unterstützen, als auch wichtige nichtfunktionale Eigenschaften, wie niedriger Speicherverbrauch und Energieeffizienz. Entsprechend soll schon bei der Entwicklung von ARTE der Konfigurationsraum werkzeuggestützt und gezielt auf nichtfunktionale Eigenschaften untersucht werden, um gemäß der Anforderungen an das Projekt später im Einsatz eine optimierte Auswahl von Implementierungsartefakten zu bieten. Dabei ist explizit die dynamische Anpassbarkeit von Anwendungs- wie auch von Systemfunktionen zu berücksichtigen. Auf funktionaler Ebene wird ARTE Systemdienste in Gestalt einer Middleware bereitstellen, die Anpassung und Erweiterung zur Laufzeit unterstützt und auf Datenstromverarbeitung zugeschnitten ist, um eine ressourceneffiziente und flexible Ausführung von Datenstromanfragen zu ermöglichen.
I4Copter: Evaluationsplattform für eingebettete und sicherheitskritische Systemsoftware in Forschung und Lehre
Der I4Copter hat seinen Ursprung im CoSa Projekt, wo er als Demonstrator für echt sicherheitskritische Systemsoftware eingesetzt wird. Stärker als zu Anfang angenommen erwies sich das Projekt während der Entwicklung des Prototypen als Herausforderung, sowohl im Sinne der Systemkomplexität als auch in den Anwendungsmöglichkeiten. So stellt die für die Regelung, Navigation und Kommunikation notwendige Software eine umfassende und anspruchsvolle Anwendung für die…
ARES: Adaptive responsive Eingebettete Systeme (ESI 2)
Das Projekt ARES befasst sich mit der Entwicklung von adaptiven Eingebetteten Echtzeitrechensystemen welche Echtzeitsignalverarbeitung und Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Energie garantieren:
Eingebettete System stützen sich häufig auf eine komplexe Sensorik für die Erfassung der Umwelt. Ein integraler Bestand dieser Systeme ist eine nicht minder komplexe Signalverarbeitung und Regelung. Da ihre Funktion maßgeblich von der rechtzeitigen Bereitstellung der Ergebnisse abhän…
AORTA: Aspektorientierte Echtzeitsystemarchitekturen (Phase 1)
Das Projekt Real-Time Systems Compiler (RTSC) entwicklet einen Betriebssystem-gewahren übersetzer, welcher eine implementierungsagnostische Manipulation der Echtzeitsystemarchitektur von gegebenen Echtzeitanwendungen ermöglicht. Eine derartige Transformation der Architektur ermöglicht beispielsweise die überführung eines ereignisgesteuerten in ein zeitgesteuertes Echtzeitsystem. Letztere lassen sich beispielsweise wesentlich einfacher hinsichtlicher ihrer Sicherheit und Zuverlässigkeit verifizieren sind jedoch auch typischerweise mit signifikant höheren Entwicklungskosten verbunden. Die praktischen Vorteile einer automatsierten überführung mittels des RTSCs liegen entsprechend auf der Hand.
AORTA: Aspektorientierte Echtzeitsystemarchitekturen (Phase 2)
Das Ziel von AORTA ist die Verbesserung der Vorhersagbarkeit von dynamischen, gemischt-kritischen Echtzeitsystemen durch die Extraktion kritischer Pfade, deren Transformation in statische äquivalente sowie einer zeitgesteuerten Ausführung. Da diese im Vergleich mit ereignisgesteuerten Abläufen jedoch zum Brachliegen von Ressourcen neigt, soll das grundsätzlich optimistische Ausführungsmodell gemischt-kritischer Echtzeitsysteme beibehalten werden und nur im Notfall eine Umschaltung in den statischen Abla…
DanceOS: Verlässlichkeitsaspekte für konfigurierbare eingebettete Betriebssysteme
Future hardware designs for embedded systems will exhibit more parallelism at the price of being less reliable. This bears new challenges for system software, especially the operating system, which has to use and provide software measures to compensate for unreliable hardware. However, dependability in this respect is a nonfunctional concern that affects and depends on all parts of the system. Tackling it in a problem-oriented way by the operating system is an open challenge: (1) It is still unclear,…
QRONOS: Regelgütegewahrer Entwurf von bedarfsgesteuerten Echtzeitregelungssystemen
Ein maßgebliches Entwurfsziel von
sicherheitskritischen Regelungssystemen ist die nachweisbare Einhaltung
eines spezifischen Qualitätsziels im Sinne der Regelgüte. Dies bedingt
die Bereitstellung einer entsprechenden Dienstgüte durch das darunter
liegende Echtzeitbetriebssystem in Form von Ressourcen. Der Zusammenhang
zwischen der auf zeitlichen Parametern basierenden Dienstgüte und der
resultierenden Regelgüte ist dabei jedoch nicht immer einfach: Der
nötige Ausführungsaufwand variiert deutlich mit der Situation und
Störanregung und umgekehrt haben die konkreten Ausführungsbedingungen
einen qualitativen Einfluss auf die Regelgüte. Um trotz all dieser
Zusammenhänge die Einhaltung der Regelgüte zu gewährleisten, werden
typischerweise pessimistische Überabschätzungen, insbesondere der
maximalen Ausführungskosten, getroffen. Daraus ergibt sich letztlich ein
hinsichtlich der bereitgestellten Ressourcen stark überdimensioniertes
System, wobei der Grad der Überdimensionierung mit der Komplexität und
Dynamik des betrachteten Systems überproportional steigt. Hierdurch ist
zu erwarten, dass die bisherigen pessimistischen Entwurfsmuster und
Analysetechniken in Zukunft an ihre Grenzen stoßen. Ein Beispiel hierfür
sind komplexe, adaptive und gemischt- kritische Fahrassistenz- und
Autopilotfunktionen in Fahrzeugen, bei denen eine allgemeingültige
Garantie für alle Fahrsituationen und Umweltbedingungen weder zweckmäßig
noch realistisch ist. Die skizzierte Problematik ist letztlich nur
durch eine interdisziplinäre Betrachtung regelungstechnischer und
echtzeitsystemorientierter Aspekte zu lösen. Das Forschungsvorhaben geht
von existierendem Wissen zum Entwurf von Echtzeitregelungssystemen mit
weichen, festen und harten Zeitgarantien aus. Es wird die Grundannahme
getroffen, dass der Rechenzeitbedarf der Anwendung signifikant zwischen
typischer und maximaler Störanregung variiert und entsprechend zu
situationsabhängigen Reserven führt. Hinterfragt wird der rein auf
zeitlichen Eigenschaften basierende Entwurf des Gesamtsystems ohne
Berücksichtigung der Dynamik der Regelgüte und die damit einhergehende
pessimistische Auslegung. Das Ziel des Vorhabens ist die Vermeidung von
Pessimismus beim Entwurf von harten Echtzeitsystemen für
Regelungsanwendungen mit strikten Qualitätsgarantien und somit die
Auflösung des Zielkonfliktes zwischen der Garantie der Regelgüte und
einer hohen mittleren Leistungsfähigkeit des Systems. Der verfolgte
Lösungsansatz stützt sich auf einen gemeinsamen Entwurf von
Regelungsanwendung und Ausführungsumgebung und umfasst die folgenden
drei Kernpunkte: die modellgestützte Bewertung der Regelgüte, eine
vorausschauende Ablaufplanung von Regelungsaktivitäten und ein hybrides
Ausführungsmodell zur Einhaltung der Garantien.
LARN: Latenz- und Resilienz-gewahre Vernetzung
Das Projekt entwickelt Transportkanäle für Cyber-physische Netzwerke. Solche Transportkanäle müssen Latenz- und Resilienz-gewahr sein; d. h. die Latenz, welche die Anwendung sieht, muss vorhersagbar und in gewissen Grenzen, u. a. durch eine Balance von Latenz und Resilienz, garantiert sein. Dies ist nur möglich durch einen neuartigen Transport-Protokollstapel und dessen adäquaten Unterbau (Betriebssystem sowie die Betriebssystem-nahen Ebenen des Protokollstapels). Dazu führt das vorliegende Vorhab…
e.LARN: Energie-, Latenz- und Resilienz-gewahre Vernetzung
Watwa: Systemweite Optimalitätsanalyse und Maßschneiderung von Anwendungen mit Worst-Case-Beschränkungen
Energiebeschränkte Echtzeitsysteme, wie beispielsweise implantierbare Medizingeräte, sind heutzutage allgegenwärtig. Diese Systeme erfordern von ihrer Software die Erfüllung der beiden Eigenschaften von sicherer und zugleich energieeffizienter Ausführung von Aufgaben der Software. In Hinblick auf funktionale Sicherheit müssen diese Systeme ihre Aufgaben innerhalb von Laufzeit- und Energieschranken ausführen, da das Überschreiten von Terminen und Energiebudgets zu lebensgefährlichen Konsequenzen führen k…
Kontaktpersonen:
Beteiligte Wissenschaftler:
Publikationen:
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SysWCET: Whole-System Response-Time Analysis for Fixed-Priority Real-Time Systems (Outstanding Paper)
Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (Pittsburgh, PA, USA, 17. April 2017 - 21. April 2017)
In: Davis, Rob; Parmer, Gabriel (Hrsg.): Proceedings of the 23rd Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS '17), Los Alamitos, CA: 2017
DOI: 10.1109/RTAS.2017.37
URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2017/dietrich_17_rtas.pdf - , , , :
A New Perspective on Quality Evaluation for Control Systems with Stochastic Timing
HSCC '18: 21st International Conference on Hybrid Systems: Computation and Control (part of CPS Week) (Porto, Portugal, 11. April 2018 - 13. April 2018)
In: Proceedings of the 21st International Conference on Hybrid Systems: Computation and Control (HSCC '18), New York, NY, USA: 2018
DOI: 10.1145/3178126.3178134
URL: https://dl.acm.org/authorize?N667444 - , , , , , :
Worst-Case Energy Consumption Analysis for Energy-Constrained Embedded Systems
Euromicro Conference on Real-Time Systems (Lund, Sweden)
In: Proceedings of the 27th Euromicro Conference on Real-Time Systems (ECRTS '15) 2015 - , , , , :
Demystifying Soft-Error Mitigation by Control-Flow Checking - A New Perspective on its Effectiveness
In: ACM Transactions on Embedded Computing Systems 16 (2017), S. 180:1-180:19
ISSN: 1539-9087
DOI: 10.1145/3126503
URL: http://doi.acm.org/10.1145/3126503 - , , , , , :
Experiences with Software-based Soft-Error Mitigation using AN-Codes
In: Software Quality Journal, New York: Springer Science+Business Media, 2016, S. 87-113 (Software Quality Journal, Bd.24)
DOI: 10.1007/s11219-014-9260-4 - , , , , , :
Eliminating Single Points of Failure in Software-Based Redundancy
9th European Dependable Computing Conference (EDCC '12) (Sibiu, Romania, 8. Mai 2012 - 11. Mai 2012)
In: Correia, Miguel (Hrsg.): Proceedings of the 9th European Dependable Computing Conference, Los Alamitos: 2012
DOI: 10.1109/EDCC.2012.21
URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2012/ulbrich_12_edcc.pdf - , :
The Real-Time Systems Compiler: migrating event-triggered systems to time-triggered systems
In: Software-Practice & Experience 41 (2011), S. 1491-1515
ISSN: 0038-0644
DOI: 10.1002/spe.1099
URL: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/spe.1099/abstract - , , , :
Annotate Once - Analyze Anywhere: Context-Aware WCET Analysis by User-Defined Abstractions
22nd ACM SIGPLAN/SIGBED International Conference on Languages, Compilers, and Tools for Embedded Systems, LCTES 2021 (Virtual, Online, CAN, 22. Juni 2021)
In: Jorg Henkel, Xu Liu (Hrsg.): Proceedings of the 22nd SIGPLAN/SIGBED International Conference on Languages,Compilers, and Tools for Embedded Systems (LCTES '21), New York, NY, USA: 2021
DOI: 10.1145/3461648.3463847
URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2021/schuster_21_lctes.pdf - , , , , , :
Taming Non-Deterministic Low-Level I/O: Predictable Multi-Core Real-Time Systems by SoC Co-Design
2021 IEEE 24th International Symposium on Real-Time Distributed Computing (ISORC)
URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2021/vaas_21_isorc.pdf - Falk Heiko, Altmeyer Sebastian, Hellinckx Peter, Hellinckx Peter, Lisper Björn, Puffitsch Wolfgang, Rochange Christine, Schoeberl Martin, Bo Sørensen Rasmus, Wägemann Peter, Wegener Simon:
TACLeBench: A Benchmark Collection to Support Worst-Case Execution Time Research
16th International Workshop on Worst-Case Execution Time Analysis (Toulouse, France)
In: Proceedings of the 16th International Workshop on Worst-Case Execution Time Analysis (WCET '16) 2016
DOI: 10.4230/OASIcs.WCET.2016.2