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Konfiguration von Echtzeitsystemen Die Konfiguration von sicherheits-relevanten verteilten Echtzeitsystemen stellt die Fahrzeugindustrie vor neue Herausforderungen. Vor allem das Erstellen von robusten Konfigurationen ist manuell kaum noch beherrschbar. Neue Ansätze sind gefragt. Neue Fahrzeuge brauchen neue Funktionen... Seit Jahren nehmen sowohl die Anzahl als auch die Komplexität von Funktionen im Automobil zu, um den steigenden Bedarf an Sicherheit und Komfort erfüllen zu können. Diese Funktionen werden überwiegend in Software implementiert. Aufgrund begrenzter Rechenleistung aktueller Micro-Controller sind somit immer mehr Steuergeräte nötig. Dies führt zu verteilten Systemen. Viele Funktionen (wie z.B. aktive Sicherheit) müssen nicht nur korrekt arbeiten, sondern zusätzlich innerhalb von genau definierten Zeiten auf Inputs reagieren. Reagieren sie zu langsam, kann das zu schwerwiegenden Konsequenzen führen. Derartige Systeme nennt man Echtzeitsysteme. Modulare Software-Komponenten mit definierten Interfaces und eine Software-Plattform (wie z.B. AUTOSAR), welche die einfache 28 magazine Nr. 11, I-2012 Portierung von Software-Komponenten auf unterschiedliche Hardware ermöglicht, sind zwingend notwendige Voraussetzungen für die Entwicklung derartiger verteilter Echtzeit- systeme. ...aber in welcher Konfiguration? Die Konfiguration eines verteilten Echtzeit- systems wird in folgende Phasen untergliedert: • Verteilung von Software-Komponenten auf Steuergeräte • Konfiguration der Bus-Systeme, welche die Kommunikation zwischen Steuergeräten ermöglichen • Konfiguration der Software-Plattform (middleware), inkl. Betriebssysteme Auf dem Weg zum neuen Echtzeitsystem... … sind folgende Szenarien denkbar: • Konfiguration eines neuen Echtzeitsystems „auf der grünen Wiese“: Hierbei hat man sehr viele Freiheitsgrade. Allerdings kommt dieses Szenario in Realität äußerst selten vor. • Erweiterung eines bestehenden Echtzeitsystems: Zusätzliche Komponenten werden in ein bestehendes Echtzeitsystem integriert. Für das resultierende System muss eine Konfiguration gefunden werden, welche allen Anforderungen gerecht wird und zusätzlich kompatibel zu der Konfiguration des ursprünglichen Systems ist. Erschwerend kommt hinzu, dass • Systeme im Automobil meist in mehreren Baureihen verwendet werden. Dies stellt zusätzliche Anforderungen an die Kompatibilität von Komponenten und Konfigurationen. • Safety Anforderungen, die aus der Hazard and Risk Analysis abgeleitet werden, können zusätzliche Anforderungen an die Entwicklung und Konfiguration von verteilten automotiven Echtzeitsystemen gemäß der AUTOSAR design methodology: Innerhalb mehrerer komplexer Entwicklungsschritte werden Software- Komponenten auf Steuergeräte verteilt, und sowohl Bus-Systeme als auch die middleware aller Steuergeräte konfiguriert. Als Input hierzu dienen Modelle der Software, Hardware und Constraints. Quelle: AUTOSAR Konsortium
Konfiguration (z.B. Software-Verteilung) stellen. Das führt dazu, dass eine manuelle Konfiguration sehr zeitaufwendig und fehleranfällig ist. Daher wird meist nur eine sehr geringe Anzahl an möglichen/potentiellen Konfigurationen erstellt und evaluiert. Will man jedoch eine robuste und ausbaufähige Konfiguration finden, ist die Evaluierung einer Vielzahl potentieller Konfigurationen nötig. Dies ist nur durch eine automatisierte Erstellung und Evaluierung von Konfigurationen möglich. „Zu Fuß“ oder automatisiert? Zur Automatisierung der Konfiguration sind folgende Aspekte notwendig: • Formalisiertes Model des zu konfigurierenden Echtzeitsystems. Der AUTOSAR Standard stellt hier geeignete Beschreibungsformate bereit. • Model der zu berücksichtigenden Anforderungen und Constraints. Auch hier stellt der AUTOSAR Standard Beschreibungsformate bereit. • Methoden, um das zeitliche Verhalten des Echtzeitsystems (welches einer gewissen Konfiguration unterliegt) zu analysieren. In der Literatur zu „real-time systems“ finden sich geeignete „timing analysis“- Methoden. Ausgerüstet mit diesen Modellen und Werkzeugen kann man sich der Entwicklung von Such-Algorithmen widmen, die eine automatisierte Erstellung und Evaluierung von Konfigurationen ermöglichen. Genau hier setzt das VIRTUAL VEHICLE einen Forschungsschwerpunkt im Bereich Vehicle Electrics/Electronics & Software. Nicht suchen, sondern finden lassen! Es gibt etliche Such-Algorithmen, die grundsätzlich verwendet werden können. Beliebte Kandidaten sind „genetic algorithm“ und „simulated annealing“. Aufgrund der vielen Anforderungen und Constraints an die Konfiguration ist die Performanz dieser Algorithmen allerdings nicht besonders gut. Im Laufe der automatisieren Erstellung und Evaluierung von Konfigurationen wird eine Vielzahl von ungültigen Konfigurationen generiert. Hauptgrund ist die Verletzung von Constraints. Zur effizienten Automatisierung der Konfigurationserstellung nutzen wir folgenden Ansatz: Durch eine detaillierte Analyse der Constraints ist es möglich, eine Vielzahl von ungültigen Konfigurationen zu identifizieren. Dies kann man durchführen bevor die automatisierte Suche beginnt. Schließt man nun diese identifizierten ungültigen Konfigurationen aus dem Such-Raum aus, kann sich der Such-Algorithmus auf die Evaluierung der übrigen – potentiell gültigen – Konfigurationen konzentrieren. Dadurch erreicht man eine bedeutend höhere Abdeckung des Such-Raums, und erhöht somit die Wahrscheinlichkeit, dass die bestmögliche Konfiguration gefunden wird. Résumé Die Entwicklung von Methoden zur automatisierten Konfiguration von verteilten Echtzeitsystemen stellt eine umfangreiche Forschungsaufgabe dar. Folgende Teilaspekte davon haben wir bereits umgesetzt: • Methodik zur Analyse und Aufbereitung der Constraints in Form einer Pre-Processing Phase • Methodik zur automatisierten Erstellung von Konfigurationen basierend auf effizienter design space exploration • Methodik zur Bandbreiten-optimierten Konfiguration der Bus-Systeme Der aktuelle Forschungsfokus liegt auf: • Methodik zur automatisierten Erstellung von Konfigurationen durch evolutionäre Verbesserung und Erweiterung bestehender Konfigurationen (System-Upgrade) • Integration von Safety-Anforderungen (z.B. aus ISO 26262) Wohin geht die Reise... Der Einsatz von multi-core CPUs im Automobil wird in Zukunft notwendig sein, um den steigenden Anforderungen an Rechenleistung genügen zu können. Dadurch ergeben sich zusätzliche Herausforderungen: Software-Komponenten, welche auf unterschiedlichen cores ausgeführt werden, beeinflussen sich gegenseitig (z.B. via shared memory). D.h. eine 100% Entkopplung der cores ist zurzeit nicht möglich. Dies ist besonders relevant, wenn sicherheitskritische Software-Komponenten, welche den Anforderungen der ISO 26262 genügen müssen, auf multi-core CPUs ausgeführt werden sollen. Effiziente Suche nach optimaler Konfigurationen durch intelligente Beschränkung des Suchraums: I: gesamter design space II: Identifikation und Ausschluss von ungültigen Konfiguration (a-priori) III: Exploration des verbleibenden design space Quelle: Area Vehicle E/E & SW, ViF ...und wer ist dabei? Um die aktuellen und zukünftigen Herausforderungen zu meistern, kooperieren wir sowohl mit lokalen als auch mit international renommierten wissenschaftlichen Institutionen (siehe Box). ■ Zum Autor Forschungspartner TU Graz, Institut für Technische Informatik University of York, Department of Computer Science, Real-Time Systems Research Group DI Florian Pölzlbauer erforscht Methoden zur Optimierung von sicherheitsrelevanten Echtzeitsystemen am VIRTUAL VEHICLE. magazine Nr. 11, I-2012 29
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