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Predictable and Runtime-Adaptable Network-On-Chip for Mixed-critical Real-time Systems

Tobuschat, Sebastian

The industry of safety-critical and dependable embedded systems calls for even cheaper, high performance platforms that allow flexibility and an efficient verification of safety and real-time requirements. To cope with the increasing complexity of interconnected functions and to reduce the cost and power consumption of the system, multicore systems are used to efficiently integrate different processing units in the same chip. Networks-on-chip (NoCs), as a modular interconnect, are used as a promising solution for such multiprocessor systems on chip (MPSoCs), due to their scalability and performance. For safety-critical systems, a major goal is the avoidance of hazards. For this, safety-critical systems are qualified or even certified to prove the correctness of the functioning under all possible cases. A predictable behaviour of the NoC can help to ease the qualification process of the system. To achieve the required predictability, designers have two classes of solutions: quality of service mechanisms and (formal) analysis. For mixed-criticality systems, isolation and analysis approaches must be combined to efficiently achieve the desired predictability. Traditional NoC analysis and architecture concepts tackle only a subpart of the challenges: they focus on either performance or predictability. Existing, predictable NoCs are deemed too expensive and inflexible to host a variety of applications with opposing constraints. And state-of-the-art analyses neglect certain platform properties to verify the behaviour. Together this leads to a high over-provisioning of the hardware resources as well as adverse impacts on system performance, and on the flexibility of the system. In this work we tackle these challenges and develop a predictable and runtime-adaptable NoC architecture that efficiently integrates mixed-critical applications with opposing constraints. Additionally, we present a modelling and analysis framework for NoCs that accounts for backpressure. This framework enables to evaluate the performance and reliability early at design time. Hence, the designer can assess multiple design decisions by using abstract models and formal approaches.

Die Industrie der sicherheitskritischen und zuverlässigen eingebetteten Systeme verlangt nach noch günstigeren, leistungsfähigeren Plattformen, welche Flexibilität und eine effiziente Überprüfung der Sicherheits- und Echtzeitanforderungen ermöglichen. Um der zunehmenden Komplexität der zunehmend vernetzten Funktionen gerecht zu werden und die Kosten und den Stromverbrauch eines Systems zu reduzieren, werden Mehrkern-Systeme eingesetzt. On-Chip Netzwerke werden aufgrund ihrer Skalierbarkeit und Leistung als vielversprechende Lösung für solch Mehrkern-Systeme eingesetzt. Bei sicherheitskritischen Systemen ist die Vermeidung von Gefahren ein wesentliches Ziel. Dazu werden sicherheitskritische Systeme qualifiziert oder zertifiziert, um die Funktionsfähigkeit in allen möglichen Fällen nachzuweisen. Ein vorhersehbares Verhalten des on-Chip Netzwerks kann dabei helfen, den Qualifizierungsprozess des Systems zu erleichtern. Um die erforderliche Vorhersagbarkeit zu erreichen, gibt es zwei Klassen von Lösungen: Quality of Service Mechanismen und (formale) Analyse. Für Systeme mit gemischter Relevanz müssen Isolationsmechanismen und Analyseansätze kombiniert werden, um die gewünschte Vorhersagbarkeit effizient zu erreichen. Traditionelle Analyse- und Architekturkonzepte für on-Chip Netzwerke lösen nur einen Teil dieser Herausforderungen: sie konzentrieren sich entweder auf Leistung oder Vorhersagbarkeit. Existierende vorhersagbare on-Chip Netzwerke werden als zu teuer und unflexibel erachtet, um eine Vielzahl von Anwendungen mit gegensätzlichen Anforderungen zu integrieren. Und state-of-the-art Analysen vernachlässigen bzw. vereinfachen bestimmte Plattformeigenschaften, um das Verhalten überprüfen zu können. Dies führt zu einer hohen Überbereitstellung der Hardware-Ressourcen als auch zu negativen Auswirkungen auf die Systemleistung und auf die Flexibilität des Systems. In dieser Arbeit gehen wir auf diese Herausforderungen ein und entwickeln eine vorhersehbare und zur Laufzeit anpassbare Architektur für on-Chip Netzwerke, welche gemischt-kritische Anwendungen effizient integriert. Zusätzlich stellen wir ein Modellierungs- und Analyseframework für on-Chip Netzwerke vor, das den Paketrückstau berücksichtigt. Dieses Framework ermöglicht es, Designentscheidungen anhand abstrakter Modelle und formaler Ansätze frühzeitig beurteilen.

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