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Scheduling Mechanisms for Efficient and Safe Automotive SystemsIntegration

Beckert, Matthias

During the last years, the demand of computing power in modern cars has risen continuously, especially due to modern topics like assisted driving. In order to provide the required computing power, the chip manufactures focused in the past on the switch from single- to multicore CPU architectures. Such powerful multicore CPUs allow the integration of multiple software components on the same hardware, therefore reducing the overall number of ECUs inside a car.

While multicore CPUs are well-known in general purpose computing, the efficient use in highly embedded systems with real-time requirements is more challenging. For the integration of multiple software components on the same hardware, freedom interference between those components must be enforced to ensure a safe execution. In case of existing legacy software the problem is often based on previously optimized execution for a singlecore CPU and as a result the parallel execution of such legacy software on multiple cores is not straight forward.

This dissertation describes two possible scheduling techniques in order to enable sensible use of the new available computing power. The first mechanism uses partition based virtualization, which has been a well-known technique in avionics with ARINC653. Objective is the integration of multiple software components on the same ECU. Freedom from interference is achieved through the execution on top of a hypervisor, implementing and monitoring the partition based virtualization. Second, an integration of the LET paradigm into an automotive system architecture, enabling a lock-less synchronized communication across core boundaries. In general, such a mechanism allows a synchronization of software among multiple CPU cores. This allows synchronization across core boundaries which can be used for both, existing legacy software as well as virtualized partitions.

The scientific contribution of this dissertation is primarily the integration of both mechanisms into an automotive context. This includes a response time analysis as well as a discussion of certain implementation challenges. Both mechanisms will be evaluated in a prototype implementation, including a discussion of the results.

Auf Grund moderner Themen wie dem assistierten Fahren steigt der Bedarf an Rechenleistung in aktuellen Fahrzeugen seit einigen Jahren kontinuierlich an. Um die erforderliche Rechenleistung zur Verfügung zu stellen, konzentrierten sich die Prozessorhersteller in der Vergangenheit auf den Wechsel von Einzel- zu Mehrkern-CPU Architekturen. Durch die zusätzliche Leistung ermöglichen solche Mehrkern-CPUs die Integration von zuvor einzeln ausgeführten Softwarekomponenten auf derselben Hardware, was zu einer Reduktion der Gesamtzahl an ECUs in Fahrzeugen beiträgt. Während Mehrkern-CPUs in Standard Computersystemen bereits seit langem Verwendung finden, ist der effiziente Einsatz in eingebetteten Systemen mit Echtzeitanforderungen häufig schwierig. Für die Integration von mehreren Softwarekomponenten auf derselben Hardware muss die Störungsfreiheit zwischen den einzelnen Komponenten für eine sichere Ausführung gewährleistet sein. Ein weiteres Problem besteht häufig bei bereits existierender Legacy-Software, welche für die Ausführung auf einer einzelnen CPU während der Entwicklung optimiert wurde und daher nicht ohne weiteres auf mehrere Prozessorkerne verteilt werden kann.

Diese Dissertation beschreibt zwei Mechanismen, welche eine sinnvolle Nutzung der zusätzlichen Rechenleistung ermöglichen sollen. Der erste Mechanismus verwendet partitionsbasierter Virtualisierung, welche in der Avionik bereits in der Vergangenheit in Form von ARINC653 Verwendung gefunden hat. Ziel ist hierbei, mehrere Softwarekomponenten auf derselben ECU zu integrieren. Die Störungsfreiheit wird durch die Ausführung über einen Hypervisor erreicht, welcher die partitionsbasierte Virtualisierung implementiert und überwacht.Zweitens wird die Integration des LET Paradigmas in eine automobile Systemarchitektur gezeigt, welches eine blockierungsfeie Synchronisation der Kommunikation über Kerngrenzen hinweg ermöglicht. Generell erlaubt dieser Mechanismus eine Synchronisation von Software über mehrere Prozessorkerne hinweg, was sowohl für die parallele Ausführung von Legacy-Software als auch von virtualisierten Partitionen genutzt werden kann.

Der wissenschaftliche Beitrag dieser Dissertation ist in erster Linie die Integration beider Mechanismen in einen automobilen Kontext. Dazu gehören eine Analyse der Antwortzeiten sowie eine Diskussion über bestimmte Herausforderungen bei der Implementierung. Beide Mechanismen werden in einer Prototyp Implementierung evaluiert und die Ergebnisse präsentiert.

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Beckert, M., 2020. Scheduling Mechanisms for Efficient and Safe Automotive SystemsIntegration. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-201911070747-5
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