Compositional Performance Analysis for Complex Embedded Applications

Jersak, Marek

Moderne Echtzeitsysteme führen eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen auf Multiprozessorsystemen aus. Beispiele sind Multimedia-Systeme oder Regelungssysteme im Automobil. Während des Entwurfs muss das Echtzeitverhalten der Systemimplementierung verifiziert werden. Echtzeitverifikation ist eine Herausforderung für komplexe Systeme. Ein viel versprechender Ansatz ist die Analyse mit mathematischen Verfahren. Bei dieser so genannten Schedulinganalyse werden kürzeste und längste Antwortzeiten von Prozessen und Prozessketten berechnet. Kürzlich wurde am Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze der TU Braunschweig ein kompositionales Verfahren entwickelt, das Echtzeitanalyse für beliebig komplexe, heterogene Architekturen erlaubt. Dieser Ansatz war bisher nicht für komplexe Anwendungen möglich. Jede praktische Echtzeitanalyse-Methodik muss jedoch die Komplexität realer Anwendungen beherrschen. In dieser Dissertation werden Transformationen entwickelt zwischen der Vielzahl von Prozessabhängigkeiten auf der Anwendungsebene, und Modellen, die für die Echtzeitanalyse benötigt werden. Konkret wird dargestellt, wie man Datenratentransitionen ohne Intervalle, Datenratentransitionen mit Intervallen, sowie mehrere aktivierende Eingängen berücksichtigt, die UND- oder ODER-verknüpft sein können. Dies schließt insbesondere die Analyse zyklischer Prozessabhängigkeiten ein, z.B. in Regelschleifen. Weiter werden die Art von kommunizierten Daten sowie zeitliche Korrelationen zwischen Sendezeitpunkten betrachtet. Schließlich wird gezeigt, wie die entwickelte Methodik für Applikationen angewendet werden kann, die in Simulink entworfen wurden. Die theoretischen Ergebnisse wurden im Performanzanalyse-Werkzeug SymTA/S umgesetzt. Zusammenfassend ermöglicht die Methodik zum ersten mal, Verfahren zur Echtzeitanalyse für komplexe, heterogene Applikationen anzuwenden, die auf komplexen, heterogenen Architekturen ausgeführt werden.

Performance verification is key during the design of embedded systems. It is challenging, in particular when a large numbers of tasks is implemented on a communication-centric heterogeneous multi-processor architecture with dynamic task and communication scheduling. A promising approach is formal system-level performance analysis. It calculates best-case and worst-case performance bounds and thus guarantees full corner-case coverage, making it a reliable approach to performance verification. A promising approach is compositional performance analysis (scheduling analysis) for heterogeneous multi-processor architectures. However, the approach currently uses a simple application model. Any useful system-level performance analysis framework must be able to handle the complexity of real-world applications. In this work, transformations are developed between the variety of task dependencies that are found in complex embedded applications, and models required for compositional performance analysis. Specifically, it is shown how to consider data rate transitions (with fixed rates and rate intervals) and multiple activating inputs (AND- or OR-concatenated). This includes analysis of cyclic task dependencies, e.g. in a control loop. As a further extension, the type of communicated data and phase information between different task activations is captured and considered during analysis. Finally, it is shown how to apply the presented methodology to designs specified in Simulink. The presented methodology has been implemented in the system-level performance analysis framework SymTA/S. In summary, the methodology for the first time allows performance analysis for complex applications that are mapped onto heterogeneous multi-processor architectures.

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Jersak, Marek: Compositional Performance Analysis for Complex Embedded Applications. 2004.

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