AP 6: Zeitverhalten des Gesamtsystems

Problembeschreibung

In den Zwischenschichten des Verfeinerungsprozesses spielen die Auswirkungen auf das Zeitverhalten als Folge der Systemintegration auf vernetzten Mehrprozessor-Architekturen eine große Rolle. Durch den Einsatz von Betriebsystemen und arbitrierenden Busprotokollen entsteht eine Vielfalt neuer Abhängigkeiten (Unterbrechungen, Blockierungen, Warten auf externe Ereignisse usw.). Diese beeinflussen das Zeitverhalten einzelner Abläufe auf schwer vorhersagbare Weise. Eine solche Unvorhersagbarkeit ist ein großes Risiko für die Zuverlässigkeit des fertigen Systems.

Erschwerend kommt hinzu, daß Zielarchitekturen i.A. heterogen sind. Prozessoren unterschiedlicher Hersteller mit verschiedenen Hardware- und Basissoftware-Konfigurationen werden über unterschiedliche Netzwerkprotokolle (z.B. Prioritäten- oder Zeitscheiben-Arbitrierung unterschiedlicher Ausprägung) miteinander verbunden. Eine Methodik, die das Zeitverhalten des Gesamtsystems analysiert, muß mit dieser Heterogenität umgehen können.

Eine wichtige Teilaufgabe wird auch sein, Systemeigenschaften wie CG-Zeit (Java), Kontextwechselzeit, Taskwechselzeit und Zeit für Systemaufrufe zu bestimmen.

Zielsetzung/Leistungsumfang

AP 6 verfolgt im wesentlichen 3 Ziele:

• Eine frühzeitige Vorhersage des Zeitverhaltens, welches sich als Folge der Systemintegration ergeben wird
• Die Bestimmung der Robustheit (Sensitivität) des Zeitverhaltens des Gesamtsystems gegenüber lokalen Änderungen, z.B. Änderung einer einzelnen Software-Funktion
• Eine systematische Optimierung der Elektronik-Architektur, z.B. hinsichtlich Kosten und Erweiterbarkeit

Um der Heterogenität von Systemfunktionen und Zielarchitektur gerecht zu werden, wird eine modulare Methodik zur Analyse des Zeitverhalten des Gesamtsystems angestrebt. Grundlage bildet das am IDA erforschte und von Symtavision entwickelte Softwarepaket SymTA/S.

Im Rahmen des AP 6 konzentriert sich IDA auf konzeptionelle Aspekte der angestrebten Analyse- und Optimierungsmethodik. Das DFKI kann dabei seine Erfahrung im Bereich der Modellierung von Zeitverhaltens von Gesamtsystemen, deren Verifikation und Verfeinerung einbringen. Symtavision konzentriert sich auf das Erfassen von Kundenanforderungen und gemeinsam mit AbsInt auf die Definition und Umsetzung von Schnittstellen zwischen Symtavision- und AbsInt-Werkzeugen. Symtavision wird zudem an Schnittstellen zu den anderen Arbeitspaketen arbeiten, insbesondere um die dort erfassten Realzeitanforderungen sowie Analyseergebnisse hinsichtlich Realzeitverhalten auszutauschen.

Abhängigkeiten von anderen Arbeitspaketen

AP 6 grenzt sich klar von AP 3 ab, denn in AP 3 werden idealisierte Annahmen über die Zielarchitektur gemacht. AP 6 hingegen konzentriert sich gerade auf diejenigen Effekte, die bei der Implementierung der Systemfunktionen auf einer realen Zielarchitektur neu hinzu kommen. Die Verbindung bzw. der Übergang zwischen den für AP 3 und AP 6 benötigten Modellen wird in AP 4 und AP 5 geleistet. In AP 1 wird der für die gesamte Methodik benötigte Rahmen gesteckt. Die aus AP 2 stammende Beschreibung der Realzeitanforderungen dient sowohl in AP 3 als auch in AP 6 als Grundlage für die Verifikation; denn bestehende Realzeitanforderungen bleiben während des gesamten Prozesses gültig, müssen jedoch schrittweise verfeinert werden. Aussagen über Echtzeiteigenschaften der Zielarchitektur erhält man mittels der in AP 7 und AP 8 angestrebten Verfahren.

Import:

• Realzeitanforderungen an das System. Diese Anforderungen wurden bereits mittels der in AP 3 entwickelten Methoden auf Konsistenz und Plausibilität geprüft und ggf. verfeinert. Die Beschreibung erfolgt mittels der in AP 2 entwickelten Formalismen und wird verfeinert über die in AP 5 verifizierten Verfeinerungsschritte.
• Kernlaufzeiten einzelner Tasks (also die Zeit, die ein Task auf einer bestimmten Ressource benötigt, wenn er nicht unterbrochen, blockiert usw. wird), sowie Kernlaufzeiten der Basissoftware. Aussagen über Realzeiteigenschaften einzelner Basis- oder Anwender-Tasks für bestimmte Zielprozessoren werden (abhängig von Compiler und Compilerswitches) durch aiT bestimmt (AP 7). Für Prozessoren mit Caches ist dabei konfigurationsabhängig eine präzise Analyse der Speicherzugriffe notwendig (AP 8).
• Ressourcenalternativen (mit dem Ziel, ein Optimum zu finden). Es wird ein Format benötigt, in dem Ressourcenalternativen insbesondere hinsichtlich Kernlaufzeiten einzelner Tasks charakterisiert sind.

Export:

• Grenzen des Echtzeitverhaltens (best-case, worst-case) unter Berücksichtigung von Integrationseffekten
• Auslastung der Ressourcen
• Task-Antwortzeiten
• Nachrichtenübertragungszeiten
• Zeitliche Schwankungen (Jitter)
• End-to-End-Latenzen
• benötigte Kommunikationspuffer

Diese Informationen können mit Realzeitanforderungen verglichen werden. Somit sind zuverlässige Aussagen möglich, ob das zu implementierende System diese Anforderungen erfüllen wird. Desweiteren können diese Informationen rückannotiert, und damit in einem iterativen Entwurf zur Verfeinerung abstrakterer Modelle (AP 3) herangezogen werden. Die Modellierungsgüte wird so sukzessive gesteigert.

• Aussagen über die Häufigkeit von Unterbrechungen: diese werden für die Analyse von Cache-Füllständen benötigt (AP 8). Denn i.A. reicht es nicht, bei Cache-Analysen einzelne Tasks isoliert zu betrachten, da sich der Cache-Zustand zwischen Aufrufen oder durch Unterbrechungen signifikant ändern kann.
• Bestimmung der Robustheit des Echtzeitverhaltens hinsichtlich lokaler Änderungen, z.B. Änderung der Kernlaufzeit einer einzelnen Task. Zum einen ermöglicht dies dem Anwender, bereits in frühen Phasen einen Eindruck zu bekommen, wie kritisch bestimmte Parameter sind. Zum anderen kann die “Luft” im System für zukünftige Erweiterungen bestimmt werden. Diese Informationen können rückannotiert werden. Folglich müssen die in AP 2, AP 4 und AP 5 entwickelten Beschreibungsformen und Methoden auch solche Informationen berücksichtigen.
• Rückannotieren optimierter Systemparameter, z.B. Prioritäten: Diese Informationen dienen zur Anpassung der in AP 7 und AP 8 durchgeführten Analysen an die optimierten Systemparameter.

Beteiligte Projektpartner

• IDA (verantwortlich)
• Symtavision
• AbsInt
• aicas
• DFKI