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Lehrstuhl für Informatik 4 & 16
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Lehrstuhl für Informatik 4 & 16

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PAX

Energiegewahre kritische Abschnitte

(Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

Projektleitung: Wolfgang Schröder-Preikschat, Timo Hönig
Projektbeteiligte: Peter Wägemann, Christopher Eibel, Heiko Janker, Stefan Reif
Projektstart: 1. Januar 2015
Projektende: 30. September 2022
Akronym: PAX
Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)

Abstract:

Wettlaufsituationen gleichzeitiger Prozesse innerhalb eines Rechensystems können zu teils unerklärlichen Phänomenen oder gar fehlerhaftem Laufzeitverhalten führen. Ursache sind kritische Abschnitte in nichtsequentiellen Programmen. Den Lösungen zum Schutz kritischer Abschnitte steht im Allgemeinen ein mehrdimensionaler Problemraum gegenüber: (1) prozessorlokale asynchrone Programmunterbrechungen, (2) speichergekoppelte Systeme mehr-/vielkerniger Multiprozessoren mit (2a) kohärentem oder (2b) inkohärentem Zwischenspeicher, (3) nachrichtengekoppelte Systeme mit globalem Adressraum, (4) Interferenz mit der Prozessverwaltung im Betriebssystem. Dabei treffen die Schutzverfahren pessimistische oder optimistische Annahmen über das Auftreten von Zugriffskonflikten.Die Anzahl wettstreitiger Prozesse ist anwendungsfallabhängig und hat einen großen Einfluss auf die Effektivität ihrer Koordination auf allen Ebenen eines Rechensystems. Mehraufwand, Skalierbarkeit und Dediziertheit der Schutzfunktionen bilden dabei entscheidende leistungsbeeinflussende Faktoren. Diese Einflussgröße bedingt nicht nur variierende Prozesslaufzeiten, sondern auch verschiedene Energieverbräuche. Ersteres führt zu Rauschen (noise) oder Schwankung (jitter) im Programmablauf: nichtfunktionale Systemeigenschaften, die besonders problematisch für hochparallele oder echtzeitabhängige Prozesse sind. Demgegenüber hat letzteres einerseits wirtschaftliches Gewicht wie auch ökologische Auswirkungen und tangiert andererseits die Grenzen in der Skalierung vielkerniger Prozessoren (dark silicon).In Abhängigkeit von der strukturellen Komplexität eines kritischen Abschnitts und seiner Wettstreitanfälligkeit zeichnet sich ein Zielkonflikt ab, dem durch analytische und konstruktive Maßnahmen im Vorhaben begegnet werden soll. Untersuchungsgegenstände sind eigene Spezialbetriebssysteme, die in erster Linie zur Unterstützung der parallelen und teils auch echtzeitabhängigen Datenverarbeitung ausgelegt sind, und Linux. Ziel ist die Bereitstellung (a) einer Softwareinfrastruktur zur lastabhängigen, von den Programmabschnitten selbst organisierten änderung des Schutzes vor kritischen Wettläufen gleichzeitiger Prozesse sowie (b) von Werkzeugen zur Aufbereitung, Charakterisierung und Erfassung solcher Abschnitte. Durch erhöhte Prozessaktivität bedingte und sich in Energieverbrauchs- und Temperaturanstiege manifestierende Heißpunkte (hotspots) sollen durch eine abschnittsspezifische Auswahlstrategie auf Abruf oder vorausschauend vermieden oder abgeschwächt werden können. In der zu treffenden Abwägung zur dynamischen Rekonfigurierung eines kritischen Abschnitts fließt der durch die jeweilige Auswahlstrategie verursachte Mehraufwand mit ein, um eine änderung nur dann vorzusehen, wenn auch wirklich praktischer Gewinn gegenüber der ursprünglichen Lösung zu erwarten ist. Vorher-nachher-Vergleiche an den untersuchten Betriebssystemen sollen die Effektivität des entwickelten Ansatzes aufzeigen.

Publikationen:

  • Sieh V., Burlacu R., Hönig T., Janker H., Raffeck P., Wägemann P., Schröder-Preikschat W.:
    An End-To-End Toolchain: From Automated Cost Modeling to Static WCET and WCEC Analysis
    20th International Symposium on Real-Time Distributed Computing (ISORC 2017) (Toronto, Canada, 16. Mai 2017 - 18. Mai 2017)
    In: Proceedings of the 20th International Symposium on Real-Time Distributed Computing (ISORC 2017) 2017
    DOI: 10.1109/ISORC.2017.10
    URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2017/sieh_17_isorc.pdf
  • Wägemann P., Distler T., Janker H., Raffeck P., Sieh V., Schröder-Preikschat W.:
    Operating Energy-Neutral Real-Time Systems
    In: ACM Transactions on Embedded Computing Systems 17 (2017), S. 11:1-11:25
    ISSN: 1539-9087
    DOI: 10.1145/3078631
    URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2017/waegemann_17_tecs.pdf
  • Wägemann P., Distler T., Eichler C., Schröder-Preikschat W.:
    Benchmark Generation for Timing Analysis
    23rd Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS '17) (Pittsburgh, USA, 18. April 2017 - 20. April 2017)
    In: Proceedings of the 23rd Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS '17) 2017
    DOI: 10.1109/RTAS.2017.6
    URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2017/waegemann_17_rtas.pdf
  • Eichler C., Wägemann P., Distler T., Schröder-Preikschat W.:
    Demo Abstract: Tooling Support for Benchmarking Timing Analysis
    23rd Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, Demo Session (RTAS Demo '17) (Pittsburgh, USA, 18. April 2017 - 20. April 2017)
    In: Proceedings of the 23rd Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, Demo Session (RTAS Demo '17) 2017
    DOI: 10.1109/RTAS.2017.20
    URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2017/eichler_17_rtas-demo.pdf
  • Dietrich C., Wägemann P., Ulbrich P., Lohmann D.:
    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
  • Wägemann P., Distler T., Janker H., Raffeck P., Sieh V.:
    A Kernel for Energy-Neutral Real-Time Systems with Mixed Criticalities
    22nd Real-Time Embedded Technology & Applications Symposium (Vienna, Austria)
    In: Proceedings of the 22nd Real-Time Embedded Technology & Applications Symposium (RTAS '16) 2016
    URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2016/waegemann_16_rtas.pdf
  • Wägemann P., Distler T., Raffeck P., Schröder-Preikschat W.:
    Towards Code Metrics for Benchmarking Timing Analysis
    Real-Time Systems Symposium Work-in-Progress Session (Porto, Portugal)
    In: Proceedings of the 37th Real-Time Systems Symposium Work-in-Progress Session (RTSS WiP '16) 2016
    URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2016/waegemann_16_rtss-wip.pdf
  • Klaus T., Ulbrich P., Raffeck P., Frank B., Wernet L., Ritter von Onciul M., Schröder-Preikschat W.:
    Boosting Job-Level Migration by Static Analysis
    15th Annual Workshop on Operating Systems Platforms for Embedded Real-Time Applications (Stuttgart)
    In: Adam Lackorzynski
    Daniel Lohmann (Hrsg.):
    Proceedings of the 15th Workshop on Operating Systems Platforms for Embedded Real-Time Applications (OSPERT '19) 2019
  • Raffeck P., Eichler C., Wägemann P., Schröder-Preikschat W.:
    Worst-case energy-consumption analysis by microarchitecture-aware timing analysis for device-driven cyber-physical systems
    19th International Workshop on Worst-Case Execution Time Analysis, WCET 2019 (Stuttgart, 9. Juli 2019)
    In: Sebastian Altmeyer (Hrsg.): OpenAccess Series in Informatics 2019
    DOI: 10.4230/OASIcs.WCET.2019.4
  • Raffeck P.:
    Mikroarchitekturgewahre Analyse des Ressourcenverbrauchs unter Berücksichtigung des Gesamtsystems
    Workshop on Autonome Systeme – 50 Jahre PEARL, Echtzeit 2019
    DOI: 10.1007/978-3-658-27808-3_8
  • Reif S., Raffeck P., Janker H., Gerhorst L., Hönig T., Schröder-Preikschat W.:
    Earl: Energy-Aware Reconfigurable Locks
    In: ACM SIGBED Review 17 (2020), S. 24-29
    ISSN: 1551-3688
    DOI: 10.1145/3412821.3412825
    URL: https://www4.cs.fau.de/Publications/2019/reif_19_ewili.pdf
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg

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