Performance Analysis of Multi-Core Multi-Mode Systems with Shared Resources - Principles and Application to AUTOSAR -

Negrean, Mircea Florin

Um Multicore-Systeme für die Umsetzung zeitkritischer Single- und Multi-Mode Anwendungen in sicherheitskritischen Umgebungen einsetzen zu können, werden in dem Entwicklungsprozess geeignete Analysemethoden und Tools zur Bestimmung des Zeitverhaltens und der Performanz benötigt. Als erster Beitrag dieser Dissertation werden neue Analyseverfahren eingeführt, um die Worst-Case-Antwortzeiten und -Blockierungszeiten für statische Echtzeitanwendungen in Single-Mode eingebetteten Multicore-Systemen mit gemeinsam genutzten Ressourcen zu bestimmen. Die entwickelten Verfahren nutzen einen existierenden kompositionellen Performanzanalyseansatz und erweitern diesen, um verschiedene Kombinationen von partitionierenden Multiprozessor-Schedulingverfahren und –Synchronisationsmechanismen behandeln zu können. Besonders praxisrelevant ist die Möglichkeit, die Kombination von (1) preemptives, nicht-preemptives sowie kooperatives Prozessor-Scheduling und (2) Spinlock-basierten Synchronisationsmechanismen zu analysieren, die heute in AUTOSAR-konformen Automotive-Softwarearchitekturen standardisiert sind. Als zweiter Beitrag wird in dieser Dissertation ein neuer Ansatz für die Analyse der zeitlichen Auswirkungen von mehreren Szenarienübergängen in vernetzten Multi-Mode eingebetteten Systemen eingeführt. Als erste konstruktive Maßnahme ermöglicht das in dieser Arbeit präsentierte Verfahren die Berechnung der Einschwingzeit jedes Szenarioübergangs und leistet dadurch eine wichtige Hilfestellung beim Systementwurf. Auf diese Weise können die Auswirkungen der Szenarienübergänge, einschließlich der zeitlich begrenzten Überlastsituationen, kontrolliert und in den Systementwurf frühzeitig einbezogen werden. Als letzter Beitrag dieser Dissertation wird ein Ansatz für die Handhabung der Zugriffskonflikte auf gemeinsam genutzten Ressourcen in Multi-Mode eingebetteten Multicore-Systemen präsentiert und eine entsprechende Analysemethode eingeführt. Die neue Analyse kombiniert Modellierungs- und Analyse-Elemente der vorher in dieser Arbeit eingeführten Analyseansätze, und ermöglicht die Untersuchung des ungünstigsten Zeitverhaltens viel komplexer eingebetteten Multicore-Systemen. Dabei werden erneut Spezifikationen der AUTOSAR-Standards berücksichtigt. Nicht zuletzt werden alle Analysemethoden in eine Toolumgebung implementiert und für verschiedene Experimente, die deren praktische Anwendbarkeit hervorheben, angewendet.

In order to implement multi-core systems for single-mode and multi-mode real-time applications, as can be found in modern automobiles, their development process requires appropriate methods and tools for timing and performance verification. In this context, this thesis proposes first novel approaches for the analysis of worst-case blocking-times and response-times for single-mode real-time applications that share resources in partitioned multi-core systems. For this purpose a compositional performance analysis methodology is adopted and extended to take into account the contention of tasks on the processor cores and on the shared resources under different combinations of processor scheduling policies and shared resource arbitration strategies. Highly relevant is the compatibility of the proposed analysis methods with the specifications of the automotive AUTOSAR standard, which defines the combination of (1) preemptive, non-preemptive and cooperative core local scheduling with (2) lock-based arbitration of core local shared resources and spinlock-based arbitration of inter-core shared resources. Further, this thesis proposes novel timing analysis solutions for multi-mode distributed real-time systems. For such systems, the settling time of a mode change, called mode change transition latency, is identified as an important system parameter that has been neglected before. This thesis contributes a novel analysis algorithm which gives a maximum bound on each mode change transition latency of multi-mode distributed applications. Knowing the settling time of each mode change, the impact of multiple mode changes and of the possible overload situations can be handled in the early development phases of real-time systems. Finally, an approach for safely handling shared resources across mode changes is presented and a corresponding timing analysis method is contributed. The new analysis solution combines modeling and analysis elements of the multi-core and multi-mode related analysis solutions and focuses on the specification of the AUTOSAR standard. This enables system designers to handle the timing behavior of more complex systems in which the problems of mode management, multi-core scheduling and shared resource arbitration coexist. The applicability and usefulness of the contributed analysis solutions are highlighted by experimental evaluations, which are enabled by the implementation of the proposed analysis methods in a performance analysis tool framework.

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Negrean, Mircea Florin: Performance Analysis of Multi-Core Multi-Mode Systems with Shared Resources - Principles and Application to AUTOSAR -. 2015.

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